光纤传感技术在桥梁检测中的应用探讨

2021-11-05马昌魁孙坤鹏

散装水泥 2021年5期

马昌魁孙坤鹏

（江苏东交智控科技集团股份有限公司，江苏南京 211100）

1 引言

我国在用桥梁和新建桥梁工程数量较多，许多桥梁工程由于年久失修，出现了路面损坏、结构变形等多种病害，影响桥梁的正常使用功能，严重的可能诱发安全事故。为了及时开展桥梁改造、检修工作，必须采取有效的检测技术。在这样的背景下，研讨光纤传感技术在桥梁质检中的应用尤为重要。

2 光纤传感技术的应用原理

光纤传感技术以光纤作为通信媒介，光纤本身具有较强的物理量敏感性，能将无法直接检测的相关物理信息转换为可检测的光信号（见图1）。入射光波经过光纤后，在外界因素的影响下，可将其入射光波的效率、相位、振幅等特征参量直接传递给相关技术人员，通过对入射和出射光波参量进行分析，得到检测结果数据。该检测技术的检测效率高、抗干扰性能强，尤其适用于某些复杂环境中的检测，如桥梁、公路、隧道等基础设施工程的检测，有效利用光纤传感器可及时了解桥梁结构的动态特性、变形和交通荷载等情况。同时，光纤传感技术还可应用于农业育种、入侵防范系统设计，电力系统测量和油气开采监测等领域。

图1 光纤传感技术应用原理

3 光纤传感技术在桥梁检测中的应用优势

在土木工程领域，光纤传感技术已被广泛应用，包括混凝土结构内部应力与变形检测、大型混凝土结构检测、桥梁健康度检测等。在实际应用中，主要采用光纤传感器检测，即在检测结构物的表面粘贴光纤传感器，或采取预埋光纤传感器测定结构内部的应变、损伤情况等。在传统桥梁检测中应用的电检测技术主要是贴应变片，其检测效率低、可靠性差。光纤传感器本身在材质、灵敏度等方面优于传统传感器，光纤具有良好的绝缘性、耐腐蚀性和耐高温性等特性，可在易燃、易爆等复杂外部环境中进行检测。同时，光纤传感器本身不会破坏检测用的桥梁结构，其分辨率和灵敏度也相对较高，相较于传统传感器检测有很大优势。将光纤传感器粘贴在桥梁结构的不同位置，可实现振动监测、应力监测、沉降监测、索力监测等功能，能最大限度地反映桥梁结构的健康程度（见图2）。

图2 桥梁检测中光纤传感器的应用范围

在实际检测中，可结合桥梁检测的需要，将光纤传感器制成形状符合规定和要求的传感阵列，方便检测。光纤传感器本身不受外界环境噪声和电磁波等的影响，测量的频带比较宽，动态响应范围更大，能有效地应用于桥梁质检中。

4 光纤传感技术在桥梁检测中的常见应用

4.1 应用于桥梁结构振动检测

桥梁振动是评估桥梁结构稳固性和可靠性的重要指标，也是桥梁质检中常用的检测指标。将光纤传感技术应用于桥梁振动检测过程中，可有效获得包括结构振幅、频率等整体或部分桥梁工程的振动参数。

应用光纤传感器对桥梁振动进行实际检测，主要原理是：在桥梁表层或内部附着或埋置信号光纤，使光纤随桥梁结构振动而发生相应变化，检测指标会通过光纤传感器终端发出光的某些特定参数发生周期性变化，从而使光电检测器获得的光强也相应地发生周期性变化，此时，处理系统可方便地分析所接收的振动信号，并采用快速傅里叶变换法（Fast Fourier Transform，FFT）分析后，得到桥梁结构的振动周期、频率等数据。利用桥梁结构的振动检测，可直观评估桥梁结构的稳固性，大大提高结构振动检测的有效性。

4.2 应用于桥梁结构应力检测

应力应变指标是评估桥梁结构稳固性的又一重要指标，也是评价其安全性的重要指标。目前，检测桥梁结构内应力的常用检测器材有各种光纤传感器，如检测桥梁结构分布应力情况的光纤布拉格光栅、检测局部桥梁工程应力的F-P光纤等。例如，山东省济南市的黄河公路大桥是一座大跨度的桥梁结构，日车流量较大，一般为4万辆次/d。为了检测桥梁结构应力应变情况，利用F-P光纤传感器进行动态和静态测试，其分辨率为0.13μ ε，符合桥梁结构动态和静态两种检测要求。该检测方法可测量不同车辆以相同速度通过桥梁时桥梁内部的应力变化情况，有利于评估桥梁结构的稳固性和道路行车的安全性。

4.3 应用于钢筋混凝土结构检测

钢筋混凝土是构成桥梁的核心骨架，桥梁长期使用后会受到侵蚀，产生裂缝等病害。钢筋混凝土裂缝根据宽度可分为贯穿裂缝和深裂缝（一般裂缝宽度为0.2～0.3mm）。其中贯穿裂缝会对桥梁结构的整体稳固与安全产生不利影响，进而对桥梁结构的整体承载能力造成严重影响。在桥梁工程发生坍塌问题时，裂缝是一种较常见的质量隐患，从损伤物理学的研究中可以看出，工程结构损坏是结构损伤累积到一定程度的一种表现形式，也可能是桥梁内部结构损伤达到一定程度后就会形成裂缝，对桥梁结构的稳固性和安全性产生了严重影响。

将光纤传感技术有效地应用于钢筋混凝土检测过程中，从整体上实现分布式检测，有效解决了传统电检测过程中空间整体控制缺乏连续性的问题，且不会出现险情漏报或漏检等问题。光纤传感技术操作便利，整个检测设备结构更方便，而且对埋设部位的钢筋混凝土结构无损伤，包括其力学性能和物理性能等。另外，在钢筋混凝土结构检测过程中，借助这一技术，可最大限度地保证有关数据输出的稳定性和真实性。光纤传感器与光纤传输系统组成一体化的自动遥测系统，极大地提高了钢筋混凝土结构检测的质量和效率，能及时发现并解决桥梁钢筋混凝土结构中存在的问题。

4.4 应用于桥梁健康度检测

桥梁健康度检测，主要是检测桥梁结构在日常使用过程中的极限载荷压力、桥梁结构孔洞、钢筋裸露等质量问题。检测桥梁结构的极限载荷压力，可有效确定桥梁运输通过的上限，降低交通安全事故的发生概率。

在实际检测过程中，需对被检测公路桥梁逐渐施加适当的压力，直至相应压力达到设计规定的桥梁结构极限载荷压力为止，注意将相应的极限载荷压力维持在一定范围内并保持一定时间。若在此时间范围内，桥梁结构未出现任何质量问题，如没有扩大结构缝隙等，则表明被检测桥梁结构可正常承受极限荷载压力，或原有桥梁结构的承载性能未明显下降。反之，若桥梁结构裂缝明显扩大或桥梁结构弯曲损害严重等，则表明被检测桥梁结构存在严重的质量问题，极限载荷承受能力明显下降，需及时采取有效检修和维护措施对其进行防护，以保证其整体结构的稳定。另外，桥梁健康度检测的另一内容是桥梁结构发生孔洞或钢筋裸露等病害，同样也可借助光纤传感技术检查桥梁钢筋承重性能是否有较大变化等。

4.5 应用于桥梁其他方面检测

除以上几方面的应用检测外，光纤传感技术还可检测桥梁受力结构附件情况，如检测拱桥系杆和悬索桥系杆、吊杆或主缆等，借助这些多方面的检测，可以更全面地掌握桥梁结构的安全性；对桥梁结构中设置的各种预应力锚固构件的质量和使用性能进行有效检测，包括锚杆、锚索等，通过灵活应用光纤传感技术，可以反映这些构件分布变化情况、大小情况、检测值等，从而更好地了解桥梁结构本身的使用性能。