基于干涉型光纖傳感器橋梁變形監(jiān)測

趙祥林

（中國鐵建港航局集團有限公司，廣東 廣州 511442）

1 概述

通過監(jiān)測橋墩的內(nèi)部運行狀態(tài)，能夠確保橋梁結(jié)構的安全和穩(wěn)定，保證橋梁結(jié)構受力合理和線形平順，為大橋安全提供重要保障[1-5]。當前，國內(nèi)外學者通過多種監(jiān)測手段監(jiān)測分析橋墩。

張鴻祥等[6]利用徠卡TS30高精度全站儀監(jiān)測橋墩平面位移；熊一[7]為保護江肇高速主線橋及公路行車安全，針對主線橋的橋墩建立監(jiān)測系統(tǒng)，開展系統(tǒng)性監(jiān)測，并分析對比所獲得的監(jiān)測結(jié)果，研究橋體的穩(wěn)定性；李振東等[8]研究了碳納米管混凝土在橋墩節(jié)點處的智能監(jiān)測；王守越等[9]提出特殊的橋墩水平位移監(jiān)測方法，在實際跨海大橋橋墩水平位移監(jiān)測工作中開展應用分析。

以上方法對橋墩監(jiān)測具有一定的實用性，但在監(jiān)測精度和廣度上仍需進一步改進研究。光纖監(jiān)測是近年來一種高精度、基于光纖傳感的滲流溫度監(jiān)測系統(tǒng)，可持續(xù)了解橋墩狀況，提升橋墩安全水平，能夠通過高空間分辨率溫度數(shù)據(jù)來檢測微小的滲流變化并計算橋墩結(jié)構中的滲流率，因此具有廣泛的應用前景。本文以某省道大橋為例，采用分布式光纖監(jiān)測分析橋墩內(nèi)部的力學和熱力學性能，同時還對比分析了傳統(tǒng)監(jiān)測手段與光纖監(jiān)測結(jié)果的異同，研究成果可為相關工程提供參考。

本文選取的大橋為主跨150m連續(xù)剛構橋梁，墩身為薄壁實心鋼筋混凝土墩，除應用了包括伸長計、壓力計、熱電偶、GPS和大地測量儀器在內(nèi)的傳感器監(jiān)測橋墩外，還額外安裝了一個分布式光纖監(jiān)測傳感器系統(tǒng)（以下簡稱“DFOS”），主要目的是驗證常規(guī)傳感器的測量結(jié)果，特別是用于掌握應變、溫度和混凝土裂縫發(fā)展狀況。將DFOS安裝在橋墩上，并在4個多月的不同時間間隔內(nèi)進行檢測。

2 光纖安裝位置

此次研究的DFOS安裝在橋墩上，靠近現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)，包括兩個引伸計、1個測縫儀、1個壓力計和結(jié)構內(nèi)的5個熱電偶式溫度計。DFOS安裝形成了一個環(huán)形路徑，因此，如果DFOS在其一個位置損壞，其他位置仍然可以開展監(jiān)測工作。探測器被放置在1個有控制和恒溫條件的盒子中。安裝光纖后，用高強度砂漿（通常用于橋墩維修）填充網(wǎng)格溝槽，以避免光纖和混凝土之間的相對應變（位移）。本文給出的結(jié)果范圍為2018年9月～12月，氣溫從18℃下降到零下10℃。

3 數(shù)據(jù)分析方法

如前所述，兩次測量之間的光譜偏移ΔvOBR與溫度ΔT和應變Δε的變化成正比。從數(shù)學上來說，可以用如下方程來表示：

比例系數(shù)與每種不同纖維的性能相關。本文所采用的光纖V9和DIS光纖類型相同，因此可以假設系數(shù)近似相等，只要已知其中一個應變和溫度，就能從方程式（1）中獲得全部應變和溫度。當前，主要有兩種不同的方法來獲取兩個未知數(shù)中的一個并求解方程式（1），即使用兩種不同的光纖或使用兩種不同的測量技術。最簡單的方法是用兩個獨立的DFOS測量，其中一個只受溫度變化影響和使用此信息補償?shù)诙€相鄰DFOS（V9）上的熱效應。該程序采用方程式（2）計算：

對于數(shù)據(jù)的收集識別，首先在橋墩面不同位置加熱DFOS，識別網(wǎng)格的初始部分和末端部分。熱源在確定的DFOS位置產(chǎn)生了較大的應變，從而可以在安裝的網(wǎng)格上精確映射信號。柵格幾何體由8個相鄰的夾角組成，總寬度為4m，高度為7.8m。DFOS的預埋件總長度為8m。所采用的幾何結(jié)構允許在水平和垂直應變分量變化之間進行清晰的分離。值得一提的是，安裝時必須優(yōu)化DFOS路徑，避免交叉，導致干擾信息嵌入。

4 測量結(jié)果分析

通常使用DFOS獲得的溫度和應變測量值是相對的，而不是絕對的，并且始終與參考零點測量值相關。如圖1（左）給出了與9月21日的參考測量值（首次測量）相比，12月18日溫度分布（整個嵌入式傳感器）的變化。如圖所示，測量結(jié)果出現(xiàn)了顯著的溫度變化，從9月到12月，溫度的相對下降約為25℃。圖1（右）給出了12月18日整個嵌入式DFOS的應變變化。由圖可知，測量結(jié)果有3個～4個主峰，與DFOS在3個～4個不同位置的垂直裂縫交點相對應。圖2給出了橋墩表面不同時期和位置的溫度和應變的疊加變化。這是由于覆土的隔熱效應，基礎埋件溫度相對穩(wěn)定。

圖1 溫度與應變測量結(jié)果

圖2 溫度和應變的疊加變化

值得一提的是，安裝在混凝土墻中且直接暴露在空氣中的DFOS部分顯示出明顯的下降趨勢。另一個重要的觀察結(jié)果是，也可以在相同位置的DTS傳感器電纜中識別應變峰值（明顯由裂紋引起）。當電纜發(fā)生較大變形時，DTS傳感器電纜中的光纖也可能開始拉伸，從而變得對應變敏感。

圖3給出了不同時期沿著橋墩表面的應變場的演變，參考測量從9月21日開始。DFOS測量值是在整個表面上進行線性插值，以獲得二維應變場。深色區(qū)域?qū)獕嚎s應變（負），淺色區(qū)域代表拉伸應變（正）。從圖3中，可以清楚地觀察到由淺色區(qū)域表示沿著橋墩表面垂直裂縫的位置，之后通過工作人員檢查確認。由于溫度下降，裂縫應變在冬季達到峰值，意味著橋墩收縮裂縫正在擴大，應當采取一定的應急防范措施，同時也表明光纖監(jiān)測的準確性。

圖3 不同時期沿著壩墻的應變場的演變

圖4給出了3段光纖在橋墩表面垂直位置的延伸/壓縮，每段電纜長4m。這一監(jiān)測結(jié)果是通過時間序列積分得到的。通過觀察發(fā)現(xiàn)，橋墩壓縮變形會隨著冬季溫度的降低而增加，10月份白天定期測量結(jié)果表明，10月白天的溫度梯度最高。根據(jù)這些結(jié)果可以得出，白天溫度變化影響可被忽略。

圖4 三段光纖在壩墻垂直位置的延伸/壓縮

5 光纖監(jiān)測與傳統(tǒng)測縫計對比分析

DFOS的裂縫寬度與測縫儀之間的比較，如圖5所示，隨著溫度的降低，可以清楚地觀察到開口裂紋的變化趨勢，兩種測量系統(tǒng)的測試結(jié)果一致性，但DFOS精度更高。使用DFOS應變傳感器測量出了大于2000微應變的大應變，可以清楚地看到裂紋的變化規(guī)律。本文通過測量結(jié)果，提出了一種簡化方法，通過DFOS測量來估計裂紋寬度。通常，峰值與應變測量值之間的距離可以視為裂紋間距，裂紋寬度可通過整合峰值兩側(cè)的拉伸應變分布來估計。顯然，裂紋寬度遠小于測量拉伸應變的區(qū)域，光纖在比裂紋更寬的區(qū)域內(nèi)拉伸，如果將拉伸應變在特征長度上進行積分，即可獲得裂紋寬度。

圖5 DFOS 的裂縫寬度與測縫儀之間的比較

6 結(jié)束語

本文以某省道大橋為例，采用分布式光纖監(jiān)測分析了橋墩內(nèi)部的力學和熱力學性能，同時還對比分析了傳統(tǒng)監(jiān)測手段與光纖監(jiān)測結(jié)果的異同。結(jié)果表明，光纖監(jiān)測能夠明顯監(jiān)測出橋墩內(nèi)部應力狀態(tài)變化，其中與9月21日的參考測量值（首次測量）相比，從9月到12月，溫度相對下降約25℃。此外，橋墩壓縮變形隨著冬季溫度的降低而增加，但白天溫度變化影響可以忽略不計。最后，通過對比光纖監(jiān)測與傳統(tǒng)測縫計監(jiān)測結(jié)果得出，大量常規(guī)和不同類型的裂縫測量設備可以用DFOS代替，大大降低了監(jiān)測成本，同時也提高了監(jiān)測安全性，值得應用推廣。