基于FBG傳感器的結構健康監測體系及其應用

(構造計劃研究所， 日本 東京 164-0011)

通過實測數據來評價現有結構的性能，大致可分為2種情形，如圖1所示，一是利用實測值直接進行結構性能判斷，二是對實測數據進行分析和處理之后再作判斷。

利用實測值直接進行判斷的情形一般僅局限于局部應力集中和局部損傷程度的判別等個別專門問題，而對于結構整體承載能力變化以及局部損傷對于結構整體性能的影響等關乎結構健全性判斷的根本性的重大問題，一般要對實測數據進行處理分析之后才能判定。所以利用數據處理和分析技術來進行結構健全性評價已經逐漸成為結構健康監測的主流。特別是近年來，由于大量建筑物安裝了各種監測系統而獲得并儲存了大量的監測數據，這些累積數據沒有被有效利用的問題逐漸顯現出來。有些數據甚至因為占據存儲空間而沒有被進行任何分析利用就已刪除了，造成巨大浪費，所以工程界對監測數據處理和分析技術的開發充滿了期待。

圖1 基于實測的結構健全性評價

本文將介紹結合使用實測數據分析技術和結構分析技術進行結構健全性評價的基本方法與分布測試系統數據處理軟件SforD。本文構筑一個基于光纖傳感器的分布測試系統并介紹其在各種鋼筋混凝土橋梁的實際應用，給出利用結構有限元分析來決定測試方案、采取現場實測和結構分析并用的方式來評價現有結構健全性的方法。

1 基于監測數據分析的結構評價

如圖2和圖3所示，過去結構檢測監測主要利用電子傳感器，如電阻應變片和加速度傳感器等，這些主要是用來進行結構局部微觀特性的實測或者結構整體宏觀特性的實測。

其實，利用結構局部點的應變測試來進行結構的損傷識別猶如大海撈針，因其功效極差而發展受到限制；另外，因為結構損傷所引起的結構整體動態特性的變化與測試噪音以及各種環境影響所引起的結構整體動態特性的變化幾乎是同一量級，所以利用加速度傳感器等宏觀測試技術來進行損傷識別也是非常困難的。例如2008年奧地利研究者將高速公路S101號的高架橋拆除后進行了測試研究，利用加速度傳感器進行的頻譜分析的結果顯示，即使將該橋主梁的主鋼筋切斷18%，固有周期的變化也只有4%。利用加速度傳感器之類的結構宏觀響應測試儀器沒有能夠識別出主梁的損傷[1-2]。

圖2 局部監測

圖3 整體監測

近年來，伴隨著光纖傳感技術的飛躍發展，充分利用光纖的特長，進行區域分布式傳感檢測監測系統的開發取得了很大進展。利用不依存于載荷變動影響的應變模態比作為結構損傷識別的指標，橋梁的裂縫、剛度減低、支座劣化等問題的發生和進展，包括發生的時間和位置都可以被檢測出來。

利用光纖傳感器構筑的區域分布式監測系統，通過靈活運用數據分析技術，可以實現結構損傷識別、結構健全性評價、結構性能評價、結構異常感知、結構疲勞壽命評價等，可以解決目前工程界極為關注的許多熱點問題。

如圖4所示，利用光纖傳感器對結構進行區域分布設置，光纖傳感器的覆蓋領域全面，解決了電阻應變片取得的信息太微觀而加速度傳感器取得的信息太宏觀的問題。這就好比給結構裝上了神經系統，也就是給橋梁等結構物賦予了生命感知系統，橋梁等結構工程師即可像醫師一樣給老舊破損結構做診斷和醫治，從而實現智能橋梁智能結構以及智慧城市的建設。

圖4 利用光纖傳感器的區域分布監測

光纖傳感器的優良特性，使之既可取得結構的微觀信息也可取得結構的宏觀信息，在此之上還可以取得兩者之間的結構性能信息；因此，光纖傳感器既囊括了應變片和加速度傳感器的優勢，又填補了兩者的空白，在結構健康檢測監測中正發揮巨大作用。

在橋梁上設置高精度的區域分布的光纖傳感器，對實測的高精度靜態和動態應變分布進行分析可以得到結構的撓度、扭轉、開裂、腐蝕、支座變動等大量信息，進而可以通過監測─分析─評價系統的開發來實現結構整體性能評價及健全度的評價。

區域分布監測系統使用光纖傳感器測得靜態或動態應變，特別是動態的區域應變，包含了結構整體特性和區域特性的基本信息，可以識別橋梁的整體狀況和局部損傷，對結構整體性能的評價也非常高效。

運用光纖傳感器的區域分布測試有以下特點：

1)用一根光纖將傳感器串聯即可實現對橋梁整體的實測。

2)可以根據結構的尺寸調整傳感器的標距長度，測得應變的分布形態。

3)不僅可進行靜態測試，還可以進行高精度高頻度的動態測試。

4)利用區域光線傳感器測得的應變也可得到結構整體的振動特性。既可以囊括以往的應變片的測試和加速度傳感器的測試，還可以得到結構的分布特性。

5)將區域分布測試系統化可以對橋梁性能進行迅速評價。

區域分布光纖傳感器具有能夠覆蓋既往的電子應變片和加速度傳感器性能的多功能性特性是區域分布測試系統的最大特長和優勢。

圖5給出了利用區域分布光纖測試系統進行橋梁結構性能評價的示意圖。

圖5 利用區域分布光纖傳感系統的評價結構

將區域分布光纖傳感器系統化并布設到橋梁結構的主梁或斜張橋的鋼纜上，測得的波長變化可換算成應變而得到分布系統中各個位置的宏觀應變(測試標距內的平均應變)的時間歷程。通過對實測的應變時間歷程結果進行分析處理，可以得到各個時刻的橋梁的應變分布情況。

通過對實測的各個區域分布應變的時間歷程進行解析，可以得到橋梁的振動特性、各個時刻的應變分布和各個時刻的撓度分布、最大應變的時間歷程、最大撓度的時間歷程、荷載分布以及時間歷程、測試區域的損傷識別等等。

對一個監測系統來說，所必需的分析技術可分為兩類，一是對實測數據的分析技術，二是結構分析技術。區域分布光纖傳感系統就是在靈活運用這兩個分析技術的基礎上建立起來的。

1.1 結構分析技術的應用

1)實測之前的結構分析，用于在初步掌握結構的特性的基礎上決定各個傳感器的最佳布置地點，確定傳感器的測試范圍等[3]。

2)實測之中將結構分析的結果與實測數據進行定性比較，證實和確認實測數據的可靠性。利用實測數據對結構計算模型進行同定，則可改善和提高計算模型的精度[4-8]。

3)測試之后利用結構分析模型，可對實測所無法囊括在其范圍之內的結構部分做相應的分析和評價[4-8]。

以上3點對于各種新型結構健康監測系統的開發和驗證十分重要。

關于傳感器最佳配置的決定，可以對測試對象進行有限元建模分析，根據設定的外載荷所求得響應的最大值和最小值來確定傳感器的最佳標距范圍，根據結構分析結果中應力或變形集中的位置來決定傳感器的最佳位置的配置。

根據初期的實測結果對結構分析模型進行調整和完善，使結構模型能夠真正反映結構現狀，提高結構分析的精度。

比較結構分析結果和實測結果，可以驗證實測的精度，可以更加全面地對結構進行有效的性能評價，還可以對結構的性能走向進行預測，達到防患于未然的目的。所以說，結構分析技術是各種新型結構健康監測系統開發和驗證時不可或缺的工具。

1.2 數據分析技術的應用

1)通過波長變化換算應變，得到各個測試區域內的宏觀應變(傳感器標距內的平均應變)的時間歷程，由此可以求得各個時刻的應變分布[4-6]。

2)對測到的時間歷程數據進行頻域分析，可以求得橋梁的振動特性、固有周期和固有振動模態等[4,6]。

3)根據求得的任意時刻的應變分布可以算出對應時刻的橋梁撓度分布[4,6]。

4)根據撓度分布以及應變分布可以推算出作用在橋梁上的交通荷載[9-10]。

5)利用對于輕微損傷也產生敏感變化的宏觀應變模態比向量MMSV(modal macro-strain vector)作為判定指標，可隨時對結構進行損傷識別和監測[11-12]。

2 基于分布式FBG傳感器的橋梁評價

得益于當前光學傳感技術的發展，光纖光柵傳感器現在已經成為具有良好的測量精度和穩定性而且物美價廉的測試儀器。一些學者多年來一直致力于分布式長標距光纖光柵傳感器(FBG光纖傳感器)系統領域的實驗和理論研究并取得了階段性成果[3-11]。

在之前研究的基礎上，一些學者對鋼橋、鋼筋混凝土橋梁、鐵路橋梁和預應力混凝土橋梁以及風車、鐵塔、太陽能發電設施的支架等結構進行了大量現場試驗[3-11]?，F場試驗結果表明，FBG傳感系統的結果與理論分析結果吻合良好。相比于當前技術人員基于感知和經驗的判斷方法，傳感系統提供了一種多功能的智能結構健康監測方法。這里介紹該監測系統的基本理論和基本方法以及其在鋼筋混凝土橋梁、鐵路橋梁和預應力混凝土橋梁上的應用[7-8]。

2.1 分布式傳感系統概述

長標距光纖光柵傳感器，通過特殊的包裝和加工方法，擁有從幾厘米到幾米的有效傳感測量范圍。如圖6所示，這是一種由作者等針對材質不均勻而且局部容易產生裂紋等損傷的鋼筋混凝土結構而開發的有效測試儀器。簡而言之，如圖7所示，它是一種以串聯形式連接的一組長標距光纖光柵傳感器作為基本要素的分布式結構應變傳感技術，近年來一直被應用于土木工程領域。

圖6 一種封裝式長標距光柵傳感器

圖7 分布式長標距光纖光柵傳感系統

借助于分布式長標距光纖光柵傳感系統，利用在發生損傷時敏感變化的宏觀應變模態比向量MMSV(modal macro-strain vector)作為損傷判定指標，可以獲得以下信息：1)橋梁應變分布情況；2)橋梁的撓度分布；3)通過連續的應變時間歷程數據得到的橋梁振動特征信息(如：頻率和振型)；4)由應變信息推算的荷載分布以及時間歷程；5)橋梁損傷監測。

2.2 監測系統的基本原理

通過使用上文介紹的分布式傳感系統，可以得到沿待測結構的某個方向的應變時間序列。為了能清楚地表述該傳感系統在實際工程中進行監測的基本原理，下面將通過一個傳感系統在橋梁中應用的典型例子加以說明。

圖8為一組裝在橋梁主梁的分布系統的測試結果，通過該區域分布式測試系統，首先可以測得橋主軸方向各個傳感器的應變的時程響應。利用圖9(a)所示的同期的某個時刻的應變響應值排列即可得到如圖9(b)所示的該時刻的區域應變的分布，根據應變分布可以積分求得該時刻該區域的撓度分布(如圖9(c)所示)，進而還可以利用實測應變進行圖9(d)所示的荷載識別[9-10]。

圖8 實測應變時間序列

圖9 獲得應變和撓度的分布及推算載荷

橋梁的交通荷載識別不僅可以用于橋梁超重車輛通行的監管，還可以得到橋梁的實時交通密度(如圖10所示)。根據一定時期的實時監測的交通荷載密度可以對橋梁的疲勞壽命進行評估。

另一方面，通過對測量應變的時間序列結果進行頻域分析，可以得到橋梁的固有頻率以及宏觀應變模態，如圖11所示。近年的研究成果顯示，宏觀應變模態和目前廣泛應用的位移模態具有同等力學特性[11]，而且對于局部損傷，宏觀應變模態比位移模態具有更加強烈的敏感性，非常適合用于損傷識別[12]?；陟o態應變分布的損傷識別如圖12所示。

圖10 交通荷載統計

圖11 固有頻率及其宏觀應變模態

下面介紹利用宏觀應變模態進行結構損傷識別的理論方法和利用簡易試驗進行驗證的方法。

利用實測得到的結構應變分布，根據力學基本原理可以進行結構的損傷識別。圖12給出了基于靜態應變分布的損傷識別的方法，對于梁結構，對于某個位置上的荷載，無論荷載大小如何變化，梁軸向各個位置的應變比是不隨載荷大小變化的，當局部產生損傷時，這個位置的應變比值就會產生突變。利用這個分布應變的特性可以識別梁的損傷并確定損傷位置。但是如果將此方法應用到橋梁上，因為交通荷載是時刻變化的，這樣的方法就不具有現實可行性。為了克服用靜態應變分布進行損傷識別的方法的弊端，我們發展了動態識別方法：利用應變模態的比值來識別橋梁損傷。因為橋梁的振動模態是結構的固有特性，是不依存載荷的大小和位置的變化而變化的。宏觀應變模態如圖13所示。

圖12 基于靜態應變分布的損傷識別

圖13 宏觀應變模態

如前面所述，宏觀應變模態與位移模態具有相同特性[11]，方程(1)描述了宏觀應變模態與位移模態之間的關系。

(1)

φlr是在第p個自由度的第r階模態。下標r表示第r階模態。

(2)

式中，hm是第m個光纖光柵傳感器位置與中性軸的距離。

所有長標距光纖光柵傳感器測得的宏觀應變的頻域函數值的比值構成一個向量，如式(3)所示，稱之為宏觀應變模態比向量MMSV。

MMSV={δ1r,δ2r,…,δmr,…}T

(3)

宏觀應變模態比向量MMSV的物理含義等同于圖12所示的應變比，其既具有應變比的物理特性，又不隨著荷載的變化而變化，對于局部損傷十分敏感，可作為判定指標，對結構進行損傷識別和監測。

綜上所述，基于分布傳感系統的損傷識別可以按如下步驟進行。

1)將長標距光纖光柵傳感器分布配置到橋梁或其他彎曲結構。

2)實測獲得宏觀應變的時程結果。

3)計算各個傳感器宏觀應變的頻域函數。

4)算出宏觀應變模態比向量MMSV。

5)分析宏觀應變模態比向量MMSV的變化，進行結構健康診斷。

為了進一步證實和說明該結構診斷方法的有效性，下面介紹一個簡便易行的驗證實驗。

如圖14所示，準備兩根金屬試件，一根完好無損，一根試件的中央位置刻制一小傷痕(4 mm的缺口)，倆試件的底面都安裝5個長標距光纖光柵傳感器。

圖14 損傷識別方法的驗證實驗的試件

兩根完全一樣的鋁制金屬棒長度1 m，兩端用夾具簡單固定，斷面尺寸如圖15所示，8 mm高,25 mm寬。圖16是試驗裝置，用手動方式給一干擾，讓試件產生自由振動，按上述步驟測得各傳感器的宏觀應變的時刻歷程，然后計算宏觀應變模態比向量MMSV。

兩根試件各做8次振動試驗，圖17給出了實驗結果，圖17中1到8是完好試件的結果，9到16是有微損傷試件的結果。很明顯3號傳感器的宏觀應變模態比向量發生了很大變化，因為有缺陷試件的缺陷位置在3號傳感器附近，離缺陷位置比較近的2號和4號傳感器也感知了損傷，利用宏觀應變模態比向量MMSV進行損傷識別的方法的有效性以此簡單實驗即可得到確認和驗證。

圖15 試件的斷面

圖16 損傷識別方法的簡易驗證實驗

圖17 損傷探測的結果

從上述簡易實驗的結果可以得知，在此粗糙的試驗環境和不嚴格的試驗條件下，同一試件的多次重復試驗的重復性驗證表明，宏觀應變模態比向量MMSV的實測誤差大致為5%。另外，計算宏觀應變模態比向量MMSV所采用的實測結構自振周期有10%的誤差的條件下，進行損傷識別時的精度也不受影響。這兩個優良性質非常重要，因為橋梁的野外環境就是比較粗糙而且噪音比較多的，實際測得的結構自振周期也往往會有誤差，該方法的以上兩大針對粗糙環境的堅韌性質保障了在復雜的野外工程現場也能夠高精度高效率地識別損傷。

由此可見宏觀應變模態比向量可作為損傷探測的識別指標。其主要原理是，如果結構沒有損傷，宏觀應變模態比向量會保持恒定的結構振型比，否則，即使出現輕微的結構損傷其數值也會發生突變。用此方法還可相應地確定損傷位置?；陂L標距光纖光柵傳感系統的宏觀應變模態比向量作為指標的結構損傷探測方法，對于不均勻材質的結構特別是混凝土結構的損傷識別最為有效。

3 監測數據分析用軟件SforD

利用區域分布型傳感系統進行結構的監測和檢測時，需要對測得的大量的數據進行分析處理，為此開發了監測數據分析軟件SforD(簡稱S4D)。

圖18介紹了該軟件的1個S和4個D的數據處理功能。

圖18 區域分布監測數據處理軟件SforD

通過實測直接得到的數據可以計算任何一個時刻的應變分布(Strain)，對應變分布的數據進行積分處理可以算出結構的位移分布以及各個測試位置的位移尤其是最大位移的時間歷程(Displacements)，對時程數據進行頻域分析可以得到結構的固有周期和振型等振動特性(Dynamic behavior)，通過位移和應變分布可以反算結構的荷載分布和載荷的時間歷程(LoaD)，另外可以根據上述方法通過計算結構的損傷識別指標宏觀應變模態比向量MMSV來進行結構損傷識別(Damage)。以上是狹義的S4D。

利用數據處理軟件SforD，可根據實測數據(Sensing)的結果，通過數據處理技術(Data processing)，進行分布預測(Distribution prediction)、異常識別(Detection)和結構健康診斷(Diagnose)，這是廣義的S4D。

通過對監測數據的分析，可以精確掌握橋梁的應變和撓度的分布和時間歷程，掌握橋梁的振動特性和交通荷載的分布和時間歷程，并掌握橋梁的損傷情況。更重要的是可以監視這些狀態參數的長年變化。監視在同等荷載的作用下，這些狀態參數的絕對值是否有所增加，過大荷載經過后這些狀態參數是否有不可恢復的殘余量發生，橋梁整體是否有扭轉變形，損傷是否有所進展等等。可以綜合這些參數的變化對橋梁的健全度做出準確的定量評價。根據分析結果設定最大撓度和最大荷載的限定值，超過限定值的時刻向橋梁管理者送郵件或短信發出警告，實現真正意義的橋梁健康監測管理。另外，監測到的荷載情況以及交通量的數據，通過統計分析可以用來作為橋梁疲勞壽命推算的載荷給出評價結果，達到進行現狀診斷和未來預測的管理目標。

4 利用實測數據評價橋梁性能案例

利用以上分布式區域傳感系統，在日本各地對鋼筋混凝土公路橋、高鐵鋼筋混凝土框架橋、預應力鋼筋混凝土公路橋和高速公路的鋼橋等進行了長期監測，這里介紹混凝土橋梁監測的幾個案例。

4.1 利用實測數據評價川根大橋的性能

川根大橋是一座建于1963年10月的鋼筋混凝土橋梁，橫亙于日本茨城的沼澤河，每跨長度約22 m，共6跨，全長130 m。

此橋梁雖然已經使用了50多年，除了有些部位產生了石灰的游離等輕微外傷痕外，沒有對結構性能有影響的損傷發生。裝配了分布式長標距光纖光柵傳感系統之后，系統開始日常監測車輛行駛以及環境振動而產生的應變分布。利用結構健康監測數據處理軟件SforD進行監測數據計算和橋梁評價，并將監測評價與有限元結構分析評價結合起來構筑了一個簡便迅速的結構健康評價系統。迄今為止十幾年的持續日常檢測評價不僅驗證了監測系統的有效性，也實際驗證了新型長標距光纖光柵傳感器的耐久性。

為驗證分布式區域光纖光柵傳感系統在鋼筋混凝土橋梁上應用的可行性，并研究利用測量車輛行駛數據監測橋梁健康狀況的新方法，在本次現場監測試驗初期，采用了一輛公共汽車作為荷載，如圖19所示。公共汽車重100 kN。具體而言，前輪和后輪分得的重量分別為30 kN和70 kN。當公共汽車停留在橋上的固定位置時，它被視為靜荷載。當它在橋上行駛時，則被視為一個動態負載。當公共汽車分別以10、30、40 km/h的速度通過大橋時對橋梁進行實測。

圖19 川根大橋監測試驗，公共汽車荷載

圖20 有限元模型以及傳感器和荷載位置

圖21 公共汽車靜止情況下的實測與分析對比

在橋梁的主梁底部安裝分布式光纖光柵傳感系統，并在公共汽車的車底主軸上安裝了加速度傳感器。作為基礎理論方法的驗證研究實例，對橋梁進行了有限元分析。圖20顯示了傳感系統的裝載位置(圖中紅線)、有限元模型、結構分析結果以及靜態測試時的荷載位置。

在公共汽車?？吭跇蛄褐行奈恢玫那闆r下，監測數據與有限元分析結果如圖21所示。從圖21可見監測數據的應變分布與有限元數值分析結果吻合良好。

當公共汽車作為動荷載分別以10、30和40 km/h的速度通過橋梁時，監測數據與分析結果如圖22所示。通過對比得知，在所有的測試情況下，靜態有限元分析得到的應變與光纖光柵傳感器的測量結果吻合較好。這表明，動態荷載的移動速度在40 km/h以下時，靜態有限元分析可以對動態情況提供合理的模擬結果。

圖22 公共汽車行駛情況下的實測與分析對比

川根大橋的測試結果表明，對于無損傷橋梁，速度低于40 km/h的動荷載可以采用靜態有限元建模分析來進行數值模擬，該實測首次驗證了分布式長測光纖光柵傳感系統在舊橋監測中具有良好的精度。

另外，利用公共汽車上的加速度傳感器可以得到橋梁變化的信息，此項技術已經在日本獲得專利。這項研究成果與分布監測系統可以互為補充，公共汽車監測可以判斷橋梁是否異常，分布傳感系統的監測可以判斷橋梁有多大異常，異常位置在哪里。細節不在此一一贅述。

4.2 利用實測數據評價鐵路橋的性能

為了監測高鐵橋梁，進行了基于光纖光柵傳感器的現場試驗和有限元建模分析[5]。首先，基于數值分析結果，選擇性能合適的光纖光柵傳感器和加速度計安裝在高鐵橋梁中。從數值分析得知，為了準確測得實驗數據，加速度傳感器的頻率應在0.5～50 Hz，測量范圍應在-1000 ～+1000 gal。隨后，根據橋梁初期實測數據對有限元模型進行改善，這樣有限元模型就進化成為反映橋梁現狀的真實模型，進而可以囊括監測系統覆蓋不到的區域的結構評價。在監測期間，發生了2次5級以上的地震，通過對傳感器系統測量的結果和分析得到的加速度數據和撓度數據進行比較，結合現場的實測數據，對橋梁整體健康狀況進行了有限元分析。

有限元模型如圖23所示。圖24顯示了在橋中點測得的觀測地震波及其加速度響應。

圖23 鐵路橋的有限元模型

圖24 地震波觀測及其加速度響應

在2012年8月30日，發生了一次5.6級的地震，傳感器記錄了加速度幅值和頻譜。對此數據進行有限元分析，結果分別記錄在圖25和圖26中。圖26展示了光纖光柵傳感系統和有限元分析得到的撓度結果比較情況。這些數值結果表明，分布式光纖光柵傳感系統的測量結果與有限元分析結果吻合得很好，進而證實了光纖光柵傳感器能夠有效地評估橋梁在包括地震和列車行駛振動等各種動荷載作用下的性能。

在地震多發的日本，鐵路橋特別是高鐵橋梁的結構健康監測最大的研究課題是每次中型以上的地震發生后，需要在第一時間立即判斷哪一個路段是最危險路段，然后馬上去巡查，要求監測系統給出有效幫助，以便在最短的時間內恢復高鐵正常運行。可以將分布式區域光纖光柵傳感系統進行改裝和簡化，以便在震后應急對策方面給予高效的支援輔助。這些成果還在開發和運用之中，不在此贅述。

圖25 光纖光柵傳感系統與加速度傳感器的結果比較和加速度幅值及其頻譜分析結果

圖26 光纖光柵傳感系統實測撓度與有限元分析結果對比

4.3 利用實測數據評價妙高大橋的性能

座落在日本新瀉縣國家一級公路18號線上的妙高大橋現在是日本研究重度損傷橋梁的樣本橋。該橋建于1972年，是一座橋長300 m的預應力混凝土4跨連續梁橋，如圖27所示。2009年定期巡檢時，發現積雪融化之時該橋滲出的水流有銹色，即而對預應力鋼索進行詳細抽查，扒開混凝土保護層發現鋼索破斷嚴重。這是由于施工時鋼索孔內沒有進行混凝土灌漿而引起的冬天積雪融化時雪水進入鋼索孔洞浸泡腐蝕造成的斷裂。圖28顯示一些鋼索破壞樣式和斷裂位置。由于該橋橫跨山澗，重新建造橋梁的工程從開始設計到完成大約需要10年時間，因為是貫通新瀉長野兩地的重要國家公路，交通繁忙；因此決定一邊追加外鋼索防止橋梁突然塌落，一邊安裝監測系統，每天對橋梁健康狀態進行評價，以判斷是否限制車輛載荷或者限制通行。

鑒于分布式光纖光柵傳感系統的有效性已得到驗證，這一系統被應用在了妙高大橋上，對橋梁實施24 h不間斷監測。在安裝外鋼索前后也進行了實測，另外每年冬天進行一次6輛重型卡車共120 t的靜載測試和20 t卡車60 km/h的動態通行測試，以此評定橋梁結構的健康狀況，決定是否繼續使用。

此項監測項目的兩個主要目的如下：1)評估橋梁的承載能力，從而管控交通荷載；2)觀察惡化發展情況以確認橋梁是否可以被繼續使用。因此，在發生最嚴重損傷的第一跨和第四跨布置傳感器，分別如圖29和圖30所示。

圖27 妙高大橋

圖28 橋梁預應力鋼索破壞分布示意圖

圖29 橋體第一跨傳感器位置分布

圖30 橋體第四跨傳感器位置分布

分別對跨中120 t的靜載荷情況和一臺20 t卡車以60 km/h的速度通過時的動荷載情況進行現場試驗。

圖31和圖32分別顯示了橋梁第一跨、第四跨在靜荷載和動荷載下的負載撓度。結果表明，該橋的損傷逐年加重，但對現有交通需求仍有足夠的通行能力。安裝在橋上的分布式光纖光柵傳感系統對橋梁的實時監測與橋梁性能的準確評估起到了有效的作用。

圖31 靜荷載下的第一跨和第四跨撓度

圖32 動荷載下的第一跨和第四跨撓度

上述案例主要是針對具有材質不均勻性的混凝土橋梁應用的介紹，因為區域分布式的長標距光纖光柵傳感系統對于混凝土結構是最為有效的。該系統在日本還被應用到鋼橋、拉鎖橋等橋梁結構，甚至被應用到鐵塔、風車等結構上，具有廣泛的實用性。

5 總結

本文綜述了現在日本基于分布式光纖光柵傳感系統的結構健康監測方法和數據分析技術的研究現狀，是作者在日本和歐美發表的數篇綜述論文和科研論文的總結。文章通過對鋼筋混凝土簡支梁橋、預應力混凝土長跨連續梁橋和高鐵框架橋進行的現場應用案例，介紹了日本橋梁結構健康監測的現狀，以期為中國同行提供有益參考。