布里渊光时域分析技术在桥梁静载试验中的应用

杨樟成罗剑波冯亚非郑欢司徒毅丁智

（1.第七一五研究所,杭州，310023；2.佛山市公路桥梁工程监测站，佛山，528041）（3.浙江大学城市学院土木工程系，杭州，310015)

布里渊光时域分析技术在桥梁静载试验中的应用

杨樟成1罗剑波2冯亚非1郑欢1司徒毅2丁智3

（1.第七一五研究所,杭州，310023；2.佛山市公路桥梁工程监测站，佛山，528041）（3.浙江大学城市学院土木工程系，杭州，310015)

为了研究桥梁整体的应变分布情况，首次将布里渊光时域分析技术（BOTDA）应用于桥梁的静载试验。文中以某大桥为背景，介绍了桥梁荷载试验中应变光缆和振弦应变计的测点布置，测出在静载工况下桥梁的应变分布情况和0.4L截面的应变值，运用有限元软件MIDAS对检测桥梁进行建模分析计算，通过对比实测值与理论值，对梁体的受力状态进行分析，了解桥梁的应力应变状况。研究表明，BOTDA能够得到桥梁的整体应变分布，其测试数据与振弦应变计、理论计算数据吻合，并能对应变异常点进行精确定位（如本项目中的底板变厚），该技术在桥梁静载试验中具有广阔的应用前景。

桥梁工程；钢箱梁；静载试验；布里渊光时域分析技术；分布式检测

桥梁荷载试验是评价其受力情况和质量的直观手段。桥梁荷载试验的类型划分有多种方法，按试验荷载的性质划分，可分为静载试验和动载试验。其中，桥梁静载试验是通过在桥梁结构上施加与设计荷载或使用荷载相当的静力荷载，采用分级加载的方法，利用检测仪器测试桥梁结构的控制截面的应变和挠度等特性的变化，将测试情况及结果按评定标准[1]进行评价，从而判断桥梁结构的承载能力是否满足设计或其他特定要求。

目前，针对桥梁静载试验中的应力/应变检测，国内外学者和工程界主要采用振弦应变计、电阻应变片和光纤光栅应变传感器等检测设备。随着传感测试技术的发展，用于桥梁静载试验的传感器正朝着分布式、长距离、小尺寸、高精度和网络化等方向发展。

1986年，Tkach等人[2]首次提出了基于布里渊散射效应的分布式光纤应变传感技术，Horiguchi等人[3-5]证明了光纤中布里渊频移与应变-温度的线性关系。布里渊光时域分析技术是以光纤作为感知和传输媒介，能够连续分布式检测结构应变和温度的新型传感技术，因其分布式测量、现场无需供电、尺寸小、耐腐蚀和易植入等优点而应用于船体结构[6]、桩基[7-8]、边坡[9-10]和隧道[11-12]等领域的结构检测或监测中。

1 布里渊光时域分析技术传感原理

基于受激布里渊散射的光时域分析技术（Brilliouin Optical Time Domain Analyzer，BOTDA）的原理为：泵浦光和探测光（斯托克斯光）分别从光纤的两端注入传感光纤中。当两路光的频率差落在布里渊光谱内（10 GHz附近），光纤中产生布里渊效应，能量从泵浦光向探测光发生转移，使探测光受到增益，因泵浦光是脉冲调制的，故类似时域反射原理，探测光的时域分布反映出光纤各位置点所受布里渊增益的情况；固定泵浦光频率，对探测光频在布里渊光谱进行扫描，即得到光纤各点的布里渊增益谱，如图1所示。增益谱峰处的频移（布里渊频移）与光纤所受应变成正比关系，所以测得光纤各点的布里渊频移值，可由下式得到光纤各点所受应变：

其中，cvε、Δε、Δf分别为光纤的应变系数、应变、布里渊频移。

图1 BOTDA系统原理图

2 光缆和应变计加装

2.1 工程概况

某大桥扩建工程主桥结构形式为58.51 m＋112.8 m＋58.51 m＝229.82 m三跨连续钢箱梁。钢箱梁单幅梁宽15.75 m，箱体宽度为7.5 m，钢箱梁一般断面如图2所示。

图2 钢箱梁一般截面（单位：cm）

2.2 光缆和应变计布置

以该桥的边跨作为试验对象，选一处墩台为起点，沿着行车方向布置光缆至边跨的另一处桥墩。用紧包光缆和金属基带应变光缆作为应变光缆，光缆结构如图3和图4所示。紧包光缆采用热挤塑方式将护套紧紧包裹住光纤，具有内部应力分布均匀、长期稳定性好等特点。金属基带应变光缆采用胶粘方式将光纤加装于金属基带中间的凹槽内，该光缆有较大的粘接面积，施工方便。

图3 紧包光缆结构示意图

图4 金属基带应变光缆结构示意图

采用环氧胶将紧包光缆和金属基带应变光缆粘接于桥梁底面，在终点位置将紧包光缆和金属基带应变光缆进行熔接，在起点位置采用通信光缆与紧包光缆和金属基带应变光缆进行熔接，并接入测试主机，如图5～图7所示。

图5 应变光缆和传感器布设示意图

图6 应变光缆和振弦应变计的0.4L截面布置图

图7 应变光缆安装实物图

在主要控制截面（0.4L截面）处安装振弦应变计，将振弦应变计（Roctest SM-5A）安装于钢箱梁内部对应光缆的位置，现场安装如图8所示。

图8 振弦应变计现场安装

3 静载试验与分析

3.1 静载试验

桥梁设计荷载为公路Ⅰ级，采用单车重300 kN的车辆进行加载，边跨加载布置如图9所示。由于静载试验时间为凌晨，温度变化较为缓慢，且测试时间较短，因此认为现场温度无变化，无需对光缆进行温度补偿。每次加载采用日本Neubrex公司的NBX-7000光纤应变分析仪对应变光缆进行测试。选用的指标参数为：5 MHz，2 ns脉冲波长，5 cm的空间采样间隔。经室内标定，紧包光缆和金属基带应变光缆的应变系数cvε是0.05 MHz/µε。

图9 加载车加载位置示意图

3.2 模型分析

采用专业软件MIDAS /Civil 2013进行桥梁理论计算。全桥理论计算模型，共划分346个梁单元359个节点，并采用MIDAS/FEA进行复核计算，计算模型如图10所示。

图10 计算模型

3.3 评定方法

采用校验系数和残余系数对桥梁的静载试验进行评定。其中，校验系数主要用于说明结构潜在的承载能力，残余系数主要反映了结构的工作状态。

（1）校验系数是指某一点的弹性应变值与相对的理论计算值的比值，校验系数的标定式为：

其中，se为弹性应变值，是应变最大实测值减去卸载后的残余应变，sstart为理论应变值。

当η=1时，说明理论值与实测值完全相符，当η〈1时，说明结构工作性能较好，承载能力有一定的富裕，有一定的安全储备；当η〉1时，说明结构的工作性能较差，设计强度不足。

（2）残余系数是指卸载后最大残余变形与该点的最大实测值之比，校验系数的标定式为：

其中，sp为卸载后的最大残余应变，stot为该点在试验过程中的最大实测值。

3.4 数据分析

通过光纤应变分析仪和振弦应变计获取测点应变值，如表1所示。其中，紧包光缆的弹性应变为209 µε，理论应变为202.7 3 µε，因此，校验系数为1.03，满足文献[13]的要求（校验系数范围：0.7～1.05）。紧包光缆的卸载后应变值为−5 µε，实测最大值为204 µε，残余系数为0.02，满足《大跨径混凝土桥梁的试验方法》的要求（残余系数范围：0～0.2）。同理，金属基带应变光缆和振弦应变计实测值的校验系数和残余系数均满足要求。

表1 0.4L截面处的实测值和理论值对比

BOTDA系统测得静载试验过程中桥梁边跨的整体应变分布如图11和图12所示。

图11 紧包光缆应变分布图

图12 金属基带应变光缆应变分布图

（1）从图11和图12可以看出，两种光缆都能很好的反映桥梁的应变分布，并记录下桥梁的应变值和对应的位置信息。两种光缆实测的应变曲线与理论基本而吻合，说明了分布式应变测试技术的可靠性。

（2）在0.4L截面，紧包光缆、金属基带应变光缆、应变计三者的实测值和理论计算值如表1所示，紧包光缆的测试值（与应变计的实测值的最大误差为7 µε）比金属基带应变光缆的测试值（与应变计的实测值最大误差为–16 µε）更接近振弦应变计测试值。其主要原因为金属基带应变光缆是将光纤植入铜带，桥梁的应变需先传递于铜带，铜带再传递于光纤，铜带与光纤之间采用的胶水粘接，导致其应变损失。

（3）紧包光缆和金属基带应变光缆的应变曲线都出现了一个较大的应变突变点，一级加载的应变突变量为32 µε，二级加载的应变突变量为48 µε，三级加载的应变突变量为56 µε。可能原因为该位置钢箱梁底板的厚度发生了变化，导致其应变突变。

4 结语

（1）首次将BOTDA应用于桥梁的静载试验，结果表明该技术能够测量桥梁表面的应变分布情况，实测曲线和理论计算曲线基本吻合。

（2）通过对比光缆和应变计的实测值可知，布里渊光时域分析技术具有较高的应变测量精度。

（3）BOTDA的测量精度与光缆的结构相关。紧包光缆结构简单，通过挤塑方式将护套紧紧包裹住光纤，应变损失小，测量精度高。

（4）本文只针对该桥的静载试验，桥梁的活载应变情况还需进一步研究。

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