应用于桥梁健康监测中光测法与电测法的试验对比与探讨

李 凯，周 煜，廉经伟，魏涛涛

（1.四平市城市发展投资控股有限公司，吉林 四平 136000；2.南京工大桥隧与轨道交通研究院有限公司，江苏 南京 210031）

0 引言

随着我国经济的飞速发展，桥梁交通压力越来越大，出现了多起桥梁安全事故［1-2］。例如 1999 年重庆彩虹桥坍塌；2001 年宜宾市南门大桥吊杆断裂、桥面坍塌；2012 年江西抚州市河东大桥八孔坍塌六孔；2019 年江苏省无锡市锡港路上跨桥出现桥面侧翻。

针对此情况，桥梁健康监测凭借其准确性与及时性越来越受到业界重视，也在很多大桥上得到应用，例如香港青马大桥、苏通大桥、安庆长江公路大桥、东海大桥等［3-4］。

随着新材料的研发与应用，光纤光栅技术得到了快速发展。相对于传统电测法，光纤光栅凭借不易腐蚀、抗干扰等优异的材料性能，在桥梁、矿山、医疗、建筑等行业逐步推广。本文通过桥梁加载试验，将光纤光栅传感器与电阻应变计对桥梁进行同步监测，比较两种监测方法的优劣，探讨两种手段对桥梁健康监测的实施性与适用性［5］。

1 试验方案

本次试验以某独塔单索面混合梁斜拉桥为例，对主跨进行车辆加载，并进行建模计算，得出理论值，并将光纤光栅传感器数据与电阻应变计数据对比分析，得出相关结论。

1.1 工程概况

本桥为独塔单索面混合梁斜拉桥，桥跨布置为90 m+169 m，结构采用塔—梁—墩全固结体系，桥塔高 75 m，采用转体法施工工艺。

主梁采用混合梁结构，主跨主梁为钢箱梁，边跨主梁为预应力混凝土箱梁，在主塔附近主跨侧通过钢混结合段将不同材质的边、主跨主梁进行连接。桥宽 36 m。本桥塔身采用钢—混凝土组合结构。斜拉索采用单索面双排索布置，共有斜拉索 24 对、共 48 根（见图 1、图 2）。

图1 斜拉桥 Midas/Civil 有限元模型

图2 试验加载车辆车型图（其余单位：cm）

1.2 仪器设备与测点布置

1.2.1 试验仪器

光纤光栅传感器 6 只、电阻应变计 6 只、光纤光栅解调仪 1 台、应变测试仪 1 台。

加载车辆：单车重 35 t 加载车，应保证总重（主要是后轴重量）的误差在±1 t。

测试原理如下。

1）光纤光栅传感器。传感器运用了光的反射和滤波原理，当一束激光射入光纤中，在光纤布拉格光栅波长范围内的光会被反射回来，其余波长的光将继续传递。在应力、温度测试中，布拉格光栅的反射波长会由于应力、温度的变化而漂移，通过波长的漂移实现参量的测量。反射波长见式（1）：

式中：neff为纤芯折射率，Λ为光栅周期，光波传播原理［6］如图 3 所示。

图3 光波传输原理图

本次试验采用的是温度补偿型双参数传感器［7］，同时测量应变和温度，对应变数据进行温度补偿，补偿公式见式（2）：

式中：με为微应变，λ为测试波长，λ0为初值波长，VT为温差，K为应变系数，KT为温度补偿系数。

2）电阻应变计。电阻应变计大致有 4 种：金属应变计、半导体应变计、粘贴式应变计、张丝式应变计。

本次试验采用的是金属应变计。当发生形变时，金属丝的横截面和长度都会发生变化，从而金属丝的电阻值发生一定变化，根据相应换算，可以得出应变值。

1.2.2 测点布置

本次试验测点截面位于主跨跨中，截面测点布置如图 4 所示。

图4 截面测点布置图（单位：mm）

连接方式：光纤光栅传感器多点串联，共用导线。电阻应变计单点单线。

加载位置：本次加载为对中加载，具体加载位置如图 5 所示。

图5 车辆加载平面布置图（单位：mm）

温度测量：采用红外温度测试仪测量梁体表面的温度及环境温度。

1.3 试验布骤

加载步骤：①加载试验分为预加载、逐级加载、卸载三个步骤。②逐级加载分为：一级加载、二级加载和三级加载，每级加载持续时间≥ 20 min，待数据稳定后读数。③加载时汽车荷载应按规定顺序准确就位，卸载时车辆退出桥梁结构试验影响区，车速≤5 km/h。

2 试验结果与分析

本次试验地点位于东北地区，昼夜温差大，为避免环境温度的影响，所以试验选在夜晚进行，另外光纤光栅传感器与电阻应变计均进行温度补偿，降低温度对数据的影响。在一级加载前，应对仪器进行归零校正。

本次测试结果对比分为三个部分：①电阻应变计实测值与理论值对比；②光纤光栅传感器实测值与理论值对比；③电阻应变计与光纤光栅传感器对称测点对比。经过三次对比，得出相关结论。

利用 Midas/Civil 建立有限元模型，对加载工况进行理论值计算，并与电阻应变计实测值对比分析（见表 1）。

表1 电阻应变计所测应变值与理论值对比分析 µε

从表 1 中可得出以下结论。

1）结构应变拉压情况吻合。在加载过程中，顶板1 #、2 #、3 # 为负值，表现为压应变；底板 4 #、5 #、6 # 为正值，表现为拉应变，与理论一致。

2）应变数值变化趋势与理论一致。加载过程中顶板 1 #、2 #、3 # 压应变增大，卸载后，压应变减小；底板 4 #、5 #、6 # 加载过程中拉应变增大，卸载后，拉应变减小。

3）卸载后，应变数据仍然很大，并没有返回，所测相对残余变形较大。

在电阻应变计布设的相同位置处，布设光纤光栅传感器，将其实测值与理论值对比（见表 2）。

表2 光纤光栅传感器所测应变值与理论值对比分析 µε

从表 2 中可得出以下结论。

1）结构拉压情况、变化趋势与理论一致，顶板为压（负），底板为拉（正）。

2）卸载后，应变数据大部分返回，基本接近于 0，相对残余较小。

从车辆加载平面布置图和测点布置图来看，本次加载为对中加载，1 # 和 3 #、4 # 和 6 # 两组测点位置对称，因此 1 # 和 3 #、4 # 和 6 # 理论值相同。现将对称测点进行差值对比，结果如表 3 所示。

表3 电阻应变计与光纤光栅传感器对称测点差值表 µε

从表 3 中可得出以下结论。

1）电阻应变计对称测点差值普遍偏大，最大达到15，其余差值与理论差别较大。

2）光纤光栅传感器对称测点差值较小，最大为 5，且大部分接近于 0，更贴合理论。

3 结论

通过本次桥梁加载试验将光测法和电测法两者对比，得出以下结论。

1）电阻应变计与光纤光栅传感器测试数据与理论基本一致，均可用于桥梁健康监测，而电阻应变计残余应变较大，数据存在一定争议。

2）经过两种测试方法对称测点差值比较，电测法对称点差值较大，而光测法差值较小，其数据与理论更贴合。

3）电测法易受电磁干扰，而光测法不受电磁干扰，稳定性更高。

4）电测法采用单只单线，导线用量很大。光测法可实现分布式测量［8］，多点串联，共用导线，节约导线。

5）在桥梁健康监测中，仪器损坏后更换困难，光纤光栅传感器寿命远超电阻应变计，更适宜于长期监测。

在桥梁健康监测中，光测法相对于电测法更适用，光纤光栅传感器在数据准确性、稳定性、连线方式以及使用寿命等方面都优于电阻应变计。