光纤传感器在桥梁结构安全监控中的应用

■宋晓青 ■九江公路局都昌分局，江西 九江 332007

1 引言

随着我国人民生活水平的提高，道路交通负荷大幅度增加，行车密度及车辆载重越来越大，在风雨侵蚀和严寒酷暑交相侵袭以及超载车辆的荷载加速作用下，随着桥龄的增长和材料的老化，会不可避免的产生某些不安全因素，经历一个建成使用、渐趋老化直至消亡的“生老病死”过程。我国是桥梁大国，现有桥梁约60余万座，其中40%的桥梁使用年限在20年以上，三、四类桥大约占30%。近几年来，桥梁事故频发，2011年7月，9天内就有4座桥梁垮塌1座桥梁倾斜，表1列出了近八年来垮塌的部分桥梁。如此密集的桥梁事故，引起了社会各界的高度关注。

表1 近八年来垮塌的桥梁［1］

桥梁作为交通的咽喉，其安全状况不仅直接影响到整个交通路网的正常运营，而且因为桥梁的特殊性，一旦发生桥毁人亡的事件，社会影响力巨大，些桥梁事故的原因是多种多样的，如何能够尽早的发现桥梁的安全隐患成为了保障桥梁安全运行的重要手段。

2 光纤传感技术在桥梁监测中的应用现状

在国外，1989美国布朗大学的Mendez［4］等人首先提出了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测的可能性。世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究，如:美国、加拿大、英国、德国、日本、瑞士等发达国家，纷纷将光纤传感技术应用在桥梁、大坝等大型民用基础设施的安全监测中，取得了令人鼓舞的进展。如英国的Foyle桥、丹麦的Great Belt East桥、加拿大的Confederation桥、韩国的Namhae大桥、日本的明石海峡大桥。

国内，清华大学、同济大学、重庆大学、武汉理工大学、哈尔滨工程大学等院校已对光纤传感器应用于桥梁检测进行了全面的理论研究，并且已经在部分大型桥梁的健康监测中得到了应用。如黑龙江省呼兰河大桥、重庆大佛寺长江大桥、杭州湾大桥和舟山跨海大桥等。

从目前已建立的监测系统的系统构成、监测方法以及实现的功能来看，这些监测具有如下一些共同特点:(1)桥梁监测系统由硬件系统与软件系统组成，硬件系统一般由传感器系统、数据采集与传输系统以及数据分析与处理系统构成，软件系统主要实现对结构状态的识别和安全性评估;(2)通过布设在桥梁上的传感器获取反映桥梁结构行为的记录，并且重视对桥梁环境条件如温度、风、交通荷载等的监测;(3)由于测试技术和通讯技术的发展，使得监测系统采集的信息更加准确与完备，并且可以实现系统的大容量和网络化共享;(4)重视对大桥监测系统的研究与实践，而忽视对中小桥自身特点的监测系统的研究。

3 光纤传感器在桥梁结构安全监控中的应用

由于光纤传感器具有耐久性好，适于长期监测;无火花，适于特殊监测领域;既可以实现点测量，也可以实现准分布式测量;测量动态范围只受光源谱宽的限制，不存在多值函数问题;检出量是波长信息，因此不受接头损失、光沿程损失等因素的影响;同时对环境干扰不敏感，抗电磁干扰;波长编码，可以方便实现绝对测量;正是这些突出优点，光纤传感器受到土木工程领域的广泛关注与青睐。

利用光纤传感技术对桥梁实现安全监测主要是实现对桥梁的重要结构的应变及应力、环境的温度、桥梁重要部位的位移、裂缝状况实施实时在线监测，以用于对桥梁的工作状况做出诊断和评估，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。

3．1 光纤传感器对结构应力应变的监测

结构内应力是桥梁健康状态的一个重要评价指标，对桥梁结构内应力的监测是桥梁监测的重要内容。光纤传感器利用光的波长变化与应变力之间的关系，来实现对应力应变的测量。波长的变化与应变以及温度的变化可用下式来表示:

根据上式1可知，结构应变势必导致光栅波长的变化，同样温度变化也会引起光栅布拉格波长的变化。这为采用光纤布拉格光栅制成光纤应变传感器提供了最基本的物理特性。

目前采用较多的是F-P光纤传感器和光纤布拉格光栅传感器。F-P光纤传感器主要用于局部应力的测试，光纤布拉格光栅传感器则用于分布应力监测。Sungsan桥是韩国首尔汉江上跨度最大的桥梁，其车流量近7万辆次/d，采用F-P光纤传感器对此桥进行了静、动态测试，在静态测试中光纤传感器的分辨率近似可达0．12个微应变;在动态测试中，它清楚地显示出了卡车不同速度时的桥体内部应变趋势。

3．2 光纤传感器对混凝土温度的监测

大体积混凝土养护过程中有大量的热量释放，从而在混凝土中产生温度应力和温度裂缝。为防止温度裂缝的发生，可通过埋置于混凝土中的光纤温度感知器监测混凝土内部的温度，为养护过程中控制冷却速率提供依据。

向光纤发射一束脉冲光，该脉冲光会以略低于真空中的光速的速度向前传播，同时向四周发射散射光。散射光的一部分又会沿光纤返回到入射端，测量发入射光和反射光之间的时间差T，则发射散射光的位置距入射端的距离X为

式2中:C为光纤中的光速，C=C0/n，C0为真空的光速;n为光纤的折射率。

反射回入射端的反射光中，有一种称做Raman散射光。该Raman散射光含有两种成份．光纤测温方式，直接测量的是Raman反射光中两种成分之比，与绝对值无关，因此既使光纤随时间老化，沿程光损失增加，仍可消除光损失的影响，从而可一直保证测温精度。

如在南京长江三桥北岸连续梁施工中，在移动模架上布置了光纤监测系统，实现了在混凝土浇筑过程中，实时监测模架关键部位的应力变化情况以及评估混凝土浇注过程中的安全性，并在出现不安全苗头时利用实测应力值指导模架控制。利用该光纤监测系统与控制手段，可有效地降低模架应力值，实现信息化施工，保证了混凝土浇筑施工的安全。

3．3 光纤传感器对混凝土结构裂缝的监测

混凝土结构的裂缝可分为由应力引起的结构裂缝和由温度引起的温度裂缝。前者危及结构的安全，后者影响结构的使用。因此，及时发现和处理混凝土结构中的裂缝尤为重要。利用光纤裂纹传感器测量混凝土架构裂缝，其原理为环形光纤传输的光是裂缝增长引起光传播波动的函数。Christopher K．Y．Leung等提出了一种新型分布式光纤传感器，可用于混凝土结构物裂缝检测，其优点是不需要事先知道裂缝的方向，只要裂缝方向与光纤斜交，就能感知裂缝的存在，并对影响感知初始裂缝宽度的因素(缝与光纤的夹角)和光损耗同缝宽的关系进行了详细研究如图1。

光纤在粘贴到混凝土结构表面或埋入混凝土结构内部时，光纤与裂缝成一定的角度(因为混凝土结构可能产生的裂缝方向是可以预知的)。光从光纤的一端注入，用光时域反射计(OTDR)探测光纤内部各点的损耗及其位置。在裂缝形成前，OTDR探测到的损耗曲线基本上是平坦的，一旦产生裂缝，埋入混凝土中的光纤就会产生弯曲，部分光从纤芯中出来形成损耗。由于裂缝造成的损耗使OTDR探测到的后向散射信号有一个突降，因此根据损耗的大小可以确定裂缝的宽度，由光纤上损耗点的位置就可以确定裂缝的位置。

4 结束语

在我国中小跨径混凝土梁式桥占有很大比例，如何实现中小梁式桥结构状态实时监控就显得尤为重要，相比通过定期的人工检测或借助荷载试验，当桥梁结构出现病害需要加固维修或改建时，申报、立项、批复到正式实施往往需要一个较长的周期。而利用光纤传感器进行实时监控服务于我省中小跨径梁式桥，对其工作状态跟踪监测，以便实时、准确地掌握桥梁工作状况，采取切实有效的措施，保证中小跨径混凝土梁式桥在剩余使用寿命期内的安全运营，具有良好的效果，可将有限的养护经费较合理地用到最需要进行养护的桥梁上，达到资源的优化配置，具有极高的经济效益。

［1］李永才．近年来我国桥梁垮塌事故调查与研究［J］．城市建设理论研究，2012，(2)．

［2］荆涛．道路桥梁质量通病及解决办法研究［J］．江西建材，2014，(19)．

［3］曹亮．基于封装压电传感器的混凝土梁损伤检测试验研究［J］．江西建材，2010，(3)．

［4］Mendez A，Morse T F，Mendez F．Application of embedded optical fiber sensors in reinforced concete buildings．And structures［C］。The International Society for Optical Engineering，SPIE，1989，1179 60-69．