光纖光柵傳感器在鋼橋面鋪裝長期監測中的應用

黃 運 ，陳 瑋 ，李伯楠

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.上海市城市建設設計研究總院，上海200125；

3.同濟大學交通運輸工程學院，上海201800）

0 前言

鋼橋面板在車輛荷載作用下易產生較大的局部變形，從而導致鋼橋面板上的瀝青鋪裝產生裂縫。國內對與橋面鋪裝應力、應變的研究多采用有限元進行分析，實橋瀝青鋪裝層進行系統化的加載試驗及長期監測還處于空白階段。因此，有必要對鋼橋面板和瀝青混合料鋪裝在靜載、動載作用下的變形狀況，以及自然因素條件下的溫度狀況進行系統的研究和分析，以便為鋼橋面瀝青混合料鋪裝的結構設計提供可靠的力學依據。

光纖傳感器是將被測量轉換成光信號來進行檢測的光學傳感器。利用光纖傳感器可實現對多個物理量的測量，如檢測位移、應變、振動、壓力、速度、加速度、角度、加速度等[1]。自上世紀80年代以來，光纖傳感技術取得了廣泛的發展，已有上千種光纖傳感器應用到各個領域[2]。

本文以桃浦路蘊藻浜大橋工程為依托，從不同結構、不同用途傳感器選取方面入手，對傳感器的埋設方案，安裝方法進行詳細介紹，為以后工程中傳感器使用提供了借鑒。

1 工程概況

桃浦路蘊藻浜大橋是軌道交通11號線重要的配套工程，包括主橋、引橋、梯道天橋和地面輔道等，全長1.15 km。桃浦路蘊藻浜大橋工程主橋采用兩跨連續下承式鋼桁架拱全焊接組合鋼結構，跨徑組合66m+135m。主橋橋寬33m，總用鋼量約4400t。鋪裝層上面層采用SMA－13混合料，下面層采用EA－10混合料，粘結層采用環氧瀝青防水粘結材料。

2 實驗設備

2.1 應變試驗設備

應變傳感器按信號的采集傳輸和處理原理可以把現有的應變傳感器分為光纖光柵應變傳感器、振弦式應變傳感器和電阻應變式傳感器。對于應變傳感器而言，判斷其優劣的依據主要是其變形與所測物質的“同時”、傳感器的穩定性以及傳感器的存活率。

用于面層中的傳感器主要是用來測量結構層層底的水平應變值，它需能承受較大的溫度。試驗路段中，鋪裝層的施工溫度都在180℃左右，所以，應變傳感器的工作溫度最大值應大于200℃左右。鋪裝結構中計算應變較大值可達300 με，所以，量程至少應大于500 με。綜合考慮以上各種因素，選擇光纖光柵傳感器TDR－FBG－G－LE100及薄片狀TDRFBG－G－VE40應變傳感器測試水平橫向和縱向應變，量程均為±1 500 με，滿足施工及測試要求。

2.2 溫度試驗設備

由于路面材料中集料的棱角性、瀝青混合料的高溫性、道路施工的相對粗放性，以及施加循環荷載大且次數多，試驗中選擇定制的Pt100溫度傳感器。其測量范圍是－200℃～650℃，精度為0.01℃，誤差0.5℃。另外，溫度傳感器的溫度結果也用于對應變傳感器進行溫補。橋梁底部采用光纖光柵溫度傳感器QST100進行橋底面溫度測試，并對應變進行溫度補償。采集系統為FBG8600，與光纖光柵應變傳感器同時進行數據采集。

3 傳感器布設方案

由于該橋為桁拱－桁架組合結構，為了體現兩種不同結構的受力情況，分別選定測點于桁拱最大縱坡及桁架部分。兩個橫隔板間距3.375 m。輪跡帶寬取1.8 m。

布設原則：（1）在橋面板底部及鋪裝結構中分別布設傳感器，且盡量相互對應。（2）便于埋設安裝，線路盡量短，所以要在最外側車道上進行埋設。（3）應變傳感器布置于輪跡帶處，此橋自邊緣開始，將第二及第五U形肋處于輪跡帶上。（4）盡量測試不同處較大荷位的應變：橫橋向，在橫隔板處、兩個橫隔板1/2處布設傳感器；縱橋向，在U形肋、兩個U形肋1/2處、系梁、縱梁等處布置。

3.1 應變傳感器布設方案

（1）橋面板底部應變傳感器布置方案：在兩個橫隔板中間1/2直線上測試縱向應變，應變傳感器分別布置于系梁底面中心位置、第二個U形肋底部中心、第二、三U形肋1/2中間橋面板上、第五個U形肋底部中心及其邊緣橋面底、縱梁底面中心位置。每一排中光纖光柵應變傳感器6個，并聯連接至一個1×6的分路盒中，光纖光柵溫度傳感器1個，布置于應變傳感器附近并串聯至距離最近的一個應變傳感器中。橫隔板處測試橫向應變，傳感器布設同橫隔板1/2處。桁拱、桁架部分各布置上述兩排，如圖1所示。

圖1 橋底傳感器布設示意圖

（2）鋪裝結構中應變傳感器布置方案：在兩個橫隔板中間1/2直線上測試橫向應變，應變傳感器分別布置于第二個U形肋底部中心、第五個U形肋底部中心的面層對應位置。在橫隔板處直線上測試縱向應變，應變傳感器位置同上，如圖2所示。

圖2 .2 鋪裝結構中傳感器布設示意圖

3.2 溫度傳感器布設方案

該項試驗中隨施工共布設溫度傳感器12個，桁拱結構與桁架結構各6個，在每一部分，鋪裝結構中埋設Pt100溫度傳感器4個，橋底面光纖光柵溫度傳感器2個。鋪裝結構中SMA層底及環氧瀝青混合料層底，在兩橫隔板處及兩橫隔板中間各埋設1個，距離機非分隔欄桿橫向1 m。

4 傳感器安裝埋設

4.1 橋底面傳感器安裝

應變傳感器安裝：首先根據布設方案準確確定應變傳感器的位置，清理干凈橋面板表面，并作嚴格標記。然后對標記點進行打磨，去除鋼板表面油漆，打磨區域大約為邊長為6 cm的正方形。接下來用焊槍進行應變傳感器焊接工作，焊接時，要注意傳感器不能偏離縱向或橫向方位；在焊接過程中，應變傳感器應接通到光纖光柵解調儀上，時刻關注其波長圖，觀察是否發生異常變化或是波長消失，如有問題應及時拆除重新進行焊接。而且，傳感器線路盡量簡易清晰，每隔大約30 cm用磁鐵及凸型貼片固定至鋼板上。

橋底面溫度傳感器安裝：在橫隔板處，將溫度傳感器固定于相應的橫梁下翼板上，緊貼鋼板，以準確測試橋面板的底面溫度。在兩橫隔板1/2處，將溫度傳感器固定于U形肋或橋面板上。

在橋底面傳感器安裝完畢后，用油漆對應變傳感器打磨處進行修補，防止鋼板生銹，影響整體美觀。

4.2 鋪裝層中傳感器安裝埋設

按照設計的應變傳感器的布置間距、數量和方位進行布設。由于面層施工溫度高，在埋設傳感器前，對傳感器及接頭關鍵部位等用耐高溫膠帶進行包裹處理。

4.2.1 位置標記

首先要在埋設傳感器的試驗段上準確確定應變傳感器的位置，清理干凈表面，并在適當位置上作嚴格編號和標記，以備后續加載及數據采集時辨別使用。

4.2.2 應變傳感器安裝埋設

在環氧層底應變傳感器埋設時，在防水粘結層上灑布熱瀝青，以便使傳感器能很好地被粘住，減少攤鋪機的推動干擾。此外，要在傳感器上及周圍灑鋪將要鋪筑的面層細料，灑鋪范圍超出傳感器邊緣4 cm～5 cm為宜，并用木槌或橡膠錘輕輕擊實，最后要及時鋪筑面層材料并適當碾壓。在SMA層底埋設時，在埋設點開挖淺槽，大小宜放得下傳感器為準，其他操作同環氧層底傳感器埋設。

4.2.3 溫度傳感器安裝埋設

埋設于結構層中的溫度傳感器束要用瀝青混合料裂縫灌縫材料充分裹覆，不要填滿，要低于面層表面，整個過程要避免氣泡的產生，因為氣泡會影響溫度的傳遞。然后把裹覆好的溫度傳感器束放入開挖好的溫度傳感器坑洞中，使其最高的熱電阻敏感點稍微低于埋設點表面，整個過程中也要避免產生氣泡。為了盡量跟現實的環境接近，用從電纜溝中開挖出來的材料灑在傳感器洞之上壓實。最后把電纜放入電纜溝之中，用路面冷補料填充搗實。

4.2.4 線路槽的開挖

線路槽的走向一定要先沿傳感器接頭光纜方向走至少5cm，以免使光纜出現小半徑圓弧，阻礙光的傳遞。然后才能根據需要，將所有傳感器光纜逐步歸并到總的線槽之中并導出路面之外，這是由于汽車啟動或剎車過程或其他外界因素作用下會引起路面結構挫動，這為了避免因這種挫動牽扯數據線而引起的傳感器失靈或輸出錯誤信號。

瀝青層線槽開挖時，若在施工完畢后，采取手動開挖，由于混合料的膠結及強度的形成，此種方式費時費力，且線槽不規整。試驗中所用方法為：在壓路機碾壓3～4遍后至路面不出現較大的推移時，在要開挖線槽的位置放置一根直徑與線槽大小相當的鋼筋，在壓路機的碾壓作用下，鋼筋被壓入路面形成斷面規整的線槽，線槽開挖好之后一定要仔細清掃傳感器槽和線槽，掃除大顆粒和尖銳顆粒，防止這些顆粒刮傷傳感器和數據線。

4.2.5 數據線的埋設

線槽中鋪一些過篩細料，用來保護數據線不被割破。把數據線沿線槽鋪設，并引到路面結構之外，最后用面層細料回填完畢，擊實，達到原來面層的高度。

在埋設過程中，傳感器皆連接到采集儀上，進行狀態監測。

4.3 鋪裝層表面傳感器安裝

鋪裝層表面應變傳感器與鋪裝層間布設位置對應，在加載測試前進行安裝，步驟為：位置標記、傳感器粘貼、數據線布設。

（1）位置確定：根據先前標記確定測點位置，并清理表面平整。

（2）傳感器粘貼：將傳感器主體及兩端用絕緣膠帶包裹，用強力膠牢固粘貼于測點位置。建議：表面傳感器需至少于加載前2 h粘貼以達到穩定粘結強度。

（3）數據線布設：用膠帶將數據線固定于鋪裝層表面以減少車輛的揉搓推移，做好標記。

5 結論

本文以鋼橋面鋪裝應力及溫度采集工作為例，對傳感器的使用進行了詳細的介紹。重點研究了傳感器的選取、傳感器布設的原則。對不同位置的傳感器的標記、安裝，以及線路布設等進行了闡述，為橋面鋪裝長期監測工作提供了借鑒。

[1]張成鋼.光纖傳感器及其工程應用 [J].交通世界，2011，(14):147－149.

[2]宋志強，張復榮，趙林，周忠，劉統玉.光纖光柵傳感器在路基沉降監測中的應用研究[J].山東科學，2011，(5):18－19.