基于光纖傳感技術(shù)的橋梁拉索健康監(jiān)測(cè)技術(shù)試驗(yàn)研究

何武超，李劭暉，江 震，俞建群，朱 駿，馬 骉

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司,上海市 200092；2.上海市政工程檢測(cè)中心有限公司,上海市 201114；3.上海浦江纜索股份有限公司,上海市 200120；4.江蘇駿龍光電科技股份有限公司,江蘇 泰州 214599）

0 引言

資料顯示，許多國(guó)內(nèi)外拉索橋梁，特別是斜拉橋，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中會(huì)由于鋼絲銹蝕、斷絲等病害而降低拉索承載能力，從而導(dǎo)致拉索未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限而不得不被更換[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)70至90年代初我國(guó)修建的30余座斜拉橋中，已經(jīng)加固修復(fù)的橋梁超過(guò)65%，其中有超過(guò)46%的斜拉橋已全部或部分更換了斜拉索，最近幾年仍有數(shù)座20世紀(jì)90年代后修建的斜拉橋需要換索。解決拉索的健康監(jiān)測(cè)問(wèn)題已顯得日益重要[2]。

目前斜拉橋拉索健康監(jiān)測(cè)，尤其是對(duì)拉索內(nèi)部鋼絲健康狀況的檢測(cè)還缺乏有效的檢測(cè)手段和技術(shù)。目前的拉索檢測(cè)僅限于索力測(cè)量，一般采用壓力表測(cè)定法、壓力傳感器測(cè)定法、頻率法、磁通量法等方法，但此類方法無(wú)法提供拉索健康狀況的數(shù)據(jù)和信息[3]。

本文通過(guò)對(duì)FBG光纖光柵傳感器和光纖數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的介紹，提出了將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于拉索內(nèi)部鋼絲健康監(jiān)測(cè)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)驗(yàn)證和實(shí)橋應(yīng)用驗(yàn)證，從拉索制備和實(shí)橋應(yīng)用兩個(gè)方面驗(yàn)證了本文所闡述技術(shù)的可行性和可靠性。

1 基于光纖光柵健康監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

1.1 斜拉橋拉索結(jié)構(gòu)及索力測(cè)量原理

斜拉橋拉索索體是由數(shù)十乃至上百根高強(qiáng)度鋼絲經(jīng)過(guò)排列扭絞而成，索體外部再輔以高強(qiáng)度繞包帶及高密度聚乙烯作為防護(hù)。通常使用的鋼絲直徑有 ?5 mm和 ?7 mm兩種，鋼絲強(qiáng)度有1 670、1 770、1 860 MPa等。

常見(jiàn)的斜拉橋拉索結(jié)構(gòu)主要有錨具和拉索索體構(gòu)成，錨具通過(guò)冷鑄或熱鑄方法與拉索中的高強(qiáng)度鋼絲進(jìn)行錨固連接。在斜拉橋上使用時(shí)拉索的兩端錨具分別固定在橋的塔端和梁端，兩端與中間部分的拉索共同受力[4]。

當(dāng)拉索處于工作狀態(tài)且正常受力時(shí)，理論上每根拉索索力會(huì)平均分配到索內(nèi)每根鋼絲上。在索力不斷變化時(shí)，每根鋼絲的拉力也不斷地被重新平均分配。理論上如果能獲得單根鋼絲的應(yīng)變情況就能根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系推算鋼絲的拉力及整根拉索的索力，從而準(zhǔn)確掌握拉索的實(shí)際受力狀況及健康狀況[5]。

拉索鋼絲在彈性范圍內(nèi)由于受力而被拉伸，其伸長(zhǎng)量是極其微小的[6]，使用普通傳感器無(wú)法獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，這就需要使用高精度的光纖傳感器。將光纖傳感器粘結(jié)固定在鋼絲上，可以認(rèn)為在粘結(jié)固定區(qū)域范圍內(nèi)，等長(zhǎng)度的鋼絲與傳感器傳感部分在軸向應(yīng)力作用下產(chǎn)生同步變形時(shí)，兩者具有相同的應(yīng)變。

1.2 光纖傳感器介紹及選擇

光纖傳感技術(shù)是一種以光纖為媒介，以光為載體，感知和傳輸外界信號(hào)（被測(cè)量）的新型傳感技術(shù)，是伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)發(fā)展而逐步形成的。

光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比具有很多明顯優(yōu)勢(shì)：（1）體積小、質(zhì)量輕；（2）抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕；（3）屬于無(wú)源器件，對(duì)被測(cè)對(duì)象影響較??；（4）便于多重使用，便于成網(wǎng)；（5）傳輸頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大，測(cè)量距離長(zhǎng)；（6）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變、溫度以及壓力等的多點(diǎn)監(jiān)測(cè)[7]。

目前FBG光纖光柵傳感器常被選擇用作拉索監(jiān)測(cè)用傳感器。

1.3 FBG光纖光柵傳感器原理

FBG光纖光柵傳感器的光纖沿徑向從里向外分為纖芯、包層、涂覆層3部分，通過(guò)利用特殊的紫外光照射工藝，對(duì)特定部位的光纖纖芯進(jìn)行紫外照射，使得該區(qū)域光纖纖芯的折射率發(fā)生周期性變化，從而制成特定中心波長(zhǎng)的光纖光柵。

光纖光柵的作用相當(dāng)于一個(gè)有選擇性的光譜反射鏡，最主要的功能是能將入射光中滿足布拉格條件的某一特定波長(zhǎng)的光部分或全部反射。光纖光柵的中心波長(zhǎng)和應(yīng)變、溫度成線性關(guān)系，根據(jù)這些特性可將光纖光柵制作成應(yīng)變、溫度、壓力、加速度等多種傳感器。

1.4 FBG傳感器用于拉索監(jiān)測(cè)技術(shù)難點(diǎn)

目前光纖光柵傳感器用于拉索監(jiān)測(cè)尚有諸多問(wèn)題需要解決：

（1）傳感器的安裝方式。由于拉索全密閉的結(jié)構(gòu)及其制錨工藝，無(wú)法將傳感器合理地安裝在拉索上進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（2）光纖光柵傳感器與鋼絲粘結(jié)工藝。由于拉索鋼絲之間內(nèi)部縫隙狹小，在鋼絲縫隙之間注入膠水并粘結(jié)傳感器是一個(gè)難題。

2 FBG傳感器植入拉索工藝研究

研究人員經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)一種能夠不破壞原拉索結(jié)構(gòu)的傳感器植入方式，就是在拉索錨具部位預(yù)置一個(gè)不銹鋼鋼管通道，在拉索制作完成后，通過(guò)該通道進(jìn)行傳感器的植入。傳感器植入拉索結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

FBG光纖光柵傳感器在工廠內(nèi)植入拉索的制作工藝和普通斜拉索基本相同，僅在制錨時(shí)增加了傳感器的預(yù)置通道和密封防護(hù)措施。拉素預(yù)置通道見(jiàn)圖2。

圖1 FBG光纖光柵傳感器植入拉索結(jié)構(gòu)圖

圖2 拉索預(yù)置通道

為解決傳感器與不銹鋼管的粘結(jié)問(wèn)題，試驗(yàn)人員通過(guò)蘸膠法和注膠法進(jìn)行比選，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)注膠法更為可靠。該方法通過(guò)使用自動(dòng)拌料器、注膠器、定制針頭等工具，在預(yù)置不銹鋼管的特定位置進(jìn)行注膠。采用注膠法后傳感器的粘結(jié)質(zhì)量、可靠性大大提高，而且施工簡(jiǎn)單方便。

3 FBG傳感器與拉索受力相關(guān)性試驗(yàn)研究

為了完整掌握拉索應(yīng)力分布情況，專門(mén)制作了1根試驗(yàn)索。試驗(yàn)索規(guī)格為 ?7-223,長(zhǎng)度為5 m，錨具一端采用植入鋼絲法預(yù)留通道，另一端采用預(yù)置通道法進(jìn)行制作。試驗(yàn)采用2種類型的FBG光纖光柵傳感器，其中T1型傳感器長(zhǎng)為1.1 m（含1個(gè)傳感器），T2型傳感器長(zhǎng)度為1.5 m（含2個(gè)傳感器）。

T1、T2型傳感器布置圖見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 T1型傳感器布置圖

圖4 T2型傳感器布置圖

為測(cè)試?yán)鞑煌恢弥踩隖BG光纖光柵傳感器的可靠性，以及確定不同位置拉索受力的分布情況，試驗(yàn)前分別將傳感器植入了不同的部位。

傳感器植入拉索后，將拉索放在實(shí)驗(yàn)室靜載試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)拉索加荷以每次500 kN的力遞增至5 000 kN，當(dāng)?shù)竭_(dá)試驗(yàn)最大值后再以同樣的速度卸載，每級(jí)荷載持荷30 s，以保證拉索受力的穩(wěn)定性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。通過(guò)反復(fù)幾次的施力和卸載來(lái)測(cè)試?yán)鞑煌恢玫膽?yīng)力情況。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，上述工藝和方法是可行、有效的，傳感器和拉索有極強(qiáng)的相關(guān)性，且可重復(fù)性能良好，拉索不同位置的應(yīng)力和理論分析時(shí)完全一致。

4 FBG傳感器實(shí)橋應(yīng)用試驗(yàn)研究

都（昌）九（江）高速鄱陽(yáng)湖二橋是江西省第二大跨徑斜拉橋，主橋主跨420 m，斜拉索采用空間扇形雙索面形式，共36對(duì)144根拉索，其中選取B8和Z9索號(hào)拉索安裝光纖光柵傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。鄱陽(yáng)湖二橋施工監(jiān)測(cè)中使用FBG光纖光柵傳感器及相關(guān)設(shè)備。

傳感器安裝完成圖見(jiàn)圖5，光纖光柵數(shù)據(jù)采集見(jiàn)圖6。

圖5 傳感器安裝完成圖

圖6 光纖光柵數(shù)據(jù)采集

4.1 試驗(yàn)用傳感器

鄱陽(yáng)湖二橋試驗(yàn)采用的FBG光纖光柵傳感器外形全長(zhǎng)為900 mm和850 mm，位于直徑不大于1 mm的柔性鋼絲套內(nèi)。傳輸光纖長(zhǎng)度為50 m，連接端為FC/APC接口。傳感器量程±4 000 μm/m，分辨率0.5 μm/m，光柵柵區(qū)長(zhǎng)度為15 mm。

4.2 拉索張拉國(guó)產(chǎn)FBG光纖檢測(cè)試驗(yàn)

不同于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)可以對(duì)鋼絲進(jìn)行多次加載和卸載，實(shí)橋試驗(yàn)中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)隨機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并與頻率法的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。

在試驗(yàn)中由于無(wú)法獲得全程錨索計(jì)數(shù)據(jù)，故將頻率法索力作為參照基準(zhǔn)。由表1可知，光纖測(cè)得的相對(duì)索力能夠與頻率法測(cè)得數(shù)據(jù)基本一致。

表1 鄱陽(yáng)湖二橋B8索測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)一系列試驗(yàn)，總結(jié)了一整套行之有效的FBG光纖光柵傳感器植入拉索技術(shù)和制造工藝，分別以實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證和實(shí)橋驗(yàn)證的方式證明國(guó)產(chǎn)光纖傳感、檢測(cè)技術(shù)用于拉索健康監(jiān)測(cè)是可行、有效的，并完全可以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平。

結(jié)合本文介紹的光纖傳感技術(shù)，輔以整套監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄?duì)斜拉橋拉索進(jìn)行全天候24 h的健康監(jiān)測(cè)?；谶@些優(yōu)勢(shì)，以FBG光纖光柵傳感器為基礎(chǔ)的光纖檢測(cè)技術(shù)在斜拉橋拉索健康監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用將有良好的前景。