光纖傳感技術在橋梁檢測中的應用探討

馬昌魁 孫坤鵬

（江蘇東交智控科技集團股份有限公司，江蘇 南京 211100）

1 引言

我國在用橋梁和新建橋梁工程數量較多，許多橋梁工程由于年久失修，出現了路面損壞、結構變形等多種病害，影響橋梁的正常使用功能，嚴重的可能誘發安全事故。為了及時開展橋梁改造、檢修工作，必須采取有效的檢測技術。在這樣的背景下，研討光纖傳感技術在橋梁質檢中的應用尤為重要。

2 光纖傳感技術的應用原理

光纖傳感技術以光纖作為通信媒介，光纖本身具有較強的物理量敏感性，能將無法直接檢測的相關物理信息轉換為可檢測的光信號（見圖1）。入射光波經過光纖后，在外界因素的影響下，可將其入射光波的效率、相位、振幅等特征參量直接傳遞給相關技術人員，通過對入射和出射光波參量進行分析，得到檢測結果數據。該檢測技術的檢測效率高、抗干擾性能強，尤其適用于某些復雜環境中的檢測，如橋梁、公路、隧道等基礎設施工程的檢測，有效利用光纖傳感器可及時了解橋梁結構的動態特性、變形和交通荷載等情況。同時，光纖傳感技術還可應用于農業育種、入侵防范系統設計，電力系統測量和油氣開采監測等領域。

圖1 光纖傳感技術應用原理

3 光纖傳感技術在橋梁檢測中的應用優勢

在土木工程領域，光纖傳感技術已被廣泛應用，包括混凝土結構內部應力與變形檢測、大型混凝土結構檢測、橋梁健康度檢測等。在實際應用中，主要采用光纖傳感器檢測，即在檢測結構物的表面粘貼光纖傳感器，或采取預埋光纖傳感器測定結構內部的應變、損傷情況等。在傳統橋梁檢測中應用的電檢測技術主要是貼應變片，其檢測效率低、可靠性差。光纖傳感器本身在材質、靈敏度等方面優于傳統傳感器，光纖具有良好的絕緣性、耐腐蝕性和耐高溫性等特性，可在易燃、易爆等復雜外部環境中進行檢測。同時，光纖傳感器本身不會破壞檢測用的橋梁結構，其分辨率和靈敏度也相對較高，相較于傳統傳感器檢測有很大優勢。將光纖傳感器粘貼在橋梁結構的不同位置，可實現振動監測、應力監測、沉降監測、索力監測等功能，能最大限度地反映橋梁結構的健康程度（見圖2）。

圖2 橋梁檢測中光纖傳感器的應用范圍

在實際檢測中，可結合橋梁檢測的需要，將光纖傳感器制成形狀符合規定和要求的傳感陣列，方便檢測。光纖傳感器本身不受外界環境噪聲和電磁波等的影響，測量的頻帶比較寬，動態響應范圍更大，能有效地應用于橋梁質檢中。

4 光纖傳感技術在橋梁檢測中的常見應用

4.1 應用于橋梁結構振動檢測

橋梁振動是評估橋梁結構穩固性和可靠性的重要指標，也是橋梁質檢中常用的檢測指標。將光纖傳感技術應用于橋梁振動檢測過程中，可有效獲得包括結構振幅、頻率等整體或部分橋梁工程的振動參數。

應用光纖傳感器對橋梁振動進行實際檢測，主要原理是：在橋梁表層或內部附著或埋置信號光纖，使光纖隨橋梁結構振動而發生相應變化，檢測指標會通過光纖傳感器終端發出光的某些特定參數發生周期性變化，從而使光電檢測器獲得的光強也相應地發生周期性變化，此時，處理系統可方便地分析所接收的振動信號，并采用快速傅里葉變換法（Fast Fourier Transform，FFT）分析后，得到橋梁結構的振動周期、頻率等數據。利用橋梁結構的振動檢測，可直觀評估橋梁結構的穩固性，大大提高結構振動檢測的有效性。

4.2 應用于橋梁結構應力檢測

應力應變指標是評估橋梁結構穩固性的又一重要指標，也是評價其安全性的重要指標。目前，檢測橋梁結構內應力的常用檢測器材有各種光纖傳感器，如檢測橋梁結構分布應力情況的光纖布拉格光柵、檢測局部橋梁工程應力的F-P光纖等。例如，山東省濟南市的黃河公路大橋是一座大跨度的橋梁結構，日車流量較大，一般為4萬輛次/d。為了檢測橋梁結構應力應變情況，利用F-P光纖傳感器進行動態和靜態測試，其分辨率為0.13μ ε，符合橋梁結構動態和靜態兩種檢測要求。該檢測方法可測量不同車輛以相同速度通過橋梁時橋梁內部的應力變化情況，有利于評估橋梁結構的穩固性和道路行車的安全性。

4.3 應用于鋼筋混凝土結構檢測

鋼筋混凝土是構成橋梁的核心骨架，橋梁長期使用后會受到侵蝕，產生裂縫等病害。鋼筋混凝土裂縫根據寬度可分為貫穿裂縫和深裂縫（一般裂縫寬度為0.2～0.3mm）。其中貫穿裂縫會對橋梁結構的整體穩固與安全產生不利影響，進而對橋梁結構的整體承載能力造成嚴重影響。在橋梁工程發生坍塌問題時，裂縫是一種較常見的質量隱患，從損傷物理學的研究中可以看出，工程結構損壞是結構損傷累積到一定程度的一種表現形式，也可能是橋梁內部結構損傷達到一定程度后就會形成裂縫，對橋梁結構的穩固性和安全性產生了嚴重影響。

將光纖傳感技術有效地應用于鋼筋混凝土檢測過程中，從整體上實現分布式檢測，有效解決了傳統電檢測過程中空間整體控制缺乏連續性的問題，且不會出現險情漏報或漏檢等問題。光纖傳感技術操作便利，整個檢測設備結構更方便，而且對埋設部位的鋼筋混凝土結構無損傷，包括其力學性能和物理性能等。另外，在鋼筋混凝土結構檢測過程中，借助這一技術，可最大限度地保證有關數據輸出的穩定性和真實性。光纖傳感器與光纖傳輸系統組成一體化的自動遙測系統，極大地提高了鋼筋混凝土結構檢測的質量和效率，能及時發現并解決橋梁鋼筋混凝土結構中存在的問題。

4.4 應用于橋梁健康度檢測

橋梁健康度檢測，主要是檢測橋梁結構在日常使用過程中的極限載荷壓力、橋梁結構孔洞、鋼筋裸露等質量問題。檢測橋梁結構的極限載荷壓力，可有效確定橋梁運輸通過的上限，降低交通安全事故的發生概率。

在實際檢測過程中，需對被檢測公路橋梁逐漸施加適當的壓力，直至相應壓力達到設計規定的橋梁結構極限載荷壓力為止，注意將相應的極限載荷壓力維持在一定范圍內并保持一定時間。若在此時間范圍內，橋梁結構未出現任何質量問題，如沒有擴大結構縫隙等，則表明被檢測橋梁結構可正常承受極限荷載壓力，或原有橋梁結構的承載性能未明顯下降。反之，若橋梁結構裂縫明顯擴大或橋梁結構彎曲損害嚴重等，則表明被檢測橋梁結構存在嚴重的質量問題，極限載荷承受能力明顯下降，需及時采取有效檢修和維護措施對其進行防護，以保證其整體結構的穩定。另外，橋梁健康度檢測的另一內容是橋梁結構發生孔洞或鋼筋裸露等病害，同樣也可借助光纖傳感技術檢查橋梁鋼筋承重性能是否有較大變化等。

4.5 應用于橋梁其他方面檢測

除以上幾方面的應用檢測外，光纖傳感技術還可檢測橋梁受力結構附件情況，如檢測拱橋系桿和懸索橋系桿、吊桿或主纜等，借助這些多方面的檢測，可以更全面地掌握橋梁結構的安全性；對橋梁結構中設置的各種預應力錨固構件的質量和使用性能進行有效檢測，包括錨桿、錨索等，通過靈活應用光纖傳感技術，可以反映這些構件分布變化情況、大小情況、檢測值等，從而更好地了解橋梁結構本身的使用性能。

5 結語

總之，將光纖傳感技術應用于橋梁檢測中，能及時了解橋梁工程結構的質量、使用性能等，對橋梁結構質檢、改擴建等都有很大幫助。可結合橋梁質檢需要，將光纖傳感技術靈活運用于橋梁應力檢測、橋梁結構振動檢測等方面，最大限度地提高橋梁質檢的質量和效率。