基于FBG的斜拉桥索力在线监测系统

朱万旭， 苏泳旗， 庞晰中

(1.桂林理工大学 土木与建筑工程学院, 广西 桂林 541004； 2.广西岩土力学与工程重点实验室, 广西 桂林 541004)

0 引言

改革开放以后，我国在经济、文化、科技方面的水平得到了显著提高，在此期间新建了许多桥梁。据不完全统计显示，截至2015年末，全国公路桥梁达到77.9万座，其中，特大桥梁3894座、大桥7.9万座。由于一些桥梁的年代较为久远和当时建设技术的不成熟，在使用阶段中结构出现了不同程度的损坏，严重影响了结构的寿命[1-2]。例如广东省的海印大桥在使用7 a后拉索出现了断裂现象，之后拉索又出现了松动现象，严重影响了桥梁的安全性，因此不得不花费2 000万元对所有斜拉索进行更换；孔雀河大桥因索力监测不到位导致吊杆断裂，进而引起主梁的坍塌；由于没有及时了解武夷山公馆大桥桥面拉索的受力情况，2011年发生吊索断裂，导致一辆在桥上行驶的大巴坠桥，损失惨重。因此，需要采取有效的监测措施对结构进行长期稳定监测，以便及时修复受损结构，而如何对重要构件的受力状态进行实时监测成了土木研究领域急需解决的问题。

在桥梁施工过程中，由于现场施工条件的限定，通常会对拉索进行分组张拉，使索力达到理论设计值，但此过程中必然会影响到其他拉索的索力；在运营过程中，拉索会因结构突变引起应力变化、结构老化、腐蚀等因素使索力出现变化，从而出现断丝、失效等现象，进而导致桥梁大面积维修或坍塌事故。由此看来，拉索的索力可作为桥梁结构健康监测的重要指标，在桥梁的施工过程和运营期间，需要对索力进行监测，以便了解拉索的受力状态，从而及时掌握桥梁结构的健康状态。目前普遍采用的索力监测方法主要有：①千斤顶压力表测定法[3]；②压力传感器测定法[4]；③电阻应变片测定法[5]；④振动频率法[6]；⑤磁通量法[7]。这些监测方法虽然有各自的优点，但总的来说都无法对拉索进行长期有效监测。20世纪90年代，随着光纤光栅传感技术水平的提高使光纤光栅传感器的应用越来越广，而光纤光栅应变传感器能对结构的应变分布情况进行分析，从而快速了解结构的强度等信息的特点[8]，PROHASKA[9]等于1992年首次将光纤光栅应用到混凝土中，通过光纤光栅测出了混凝土结构的应变。该创新得到了国内外研究学者的广泛关注，成功将光纤光栅引入到了土木工程的研究领域当中。2002年，BENMOKRANE[10]等将光纤光栅放入金属套中以加强对光纤光栅的防护作用，并通过套管端部的凹槽和金属限位环使光纤光栅元件同时具有监测和夹持的功能，为光纤光栅索力监测的封装技术提供了参考依据。2015年，任锦成[11]等同时在拉索两端的锚头都布置了光纤光栅传感器，并且运用该方法对乐清体育场的部分拉索进行索力监测，为整体健康评估提供依据。2018年，朱元[12]等将光纤光栅嵌入中心钢丝的凹槽内，并对锚固技术和索体制造工艺进行了试验论证，证明了该方法能对吊杆索力进行有效实时监测。

1 工程概况

衡阳东洲湘江大桥主桥为(120+2×210+120)m矮塔斜拉桥，将3个主墩分别编号为10#、11#、12#，其中11#主墩采用塔墩梁固结的方式。斜拉索为单索面双排索。主梁施工采用挂篮悬臂浇筑，分为3个悬浇“T”构，将每个“T”构单侧主梁划分为24段，其中1#～8#节段为无索区，1#～24#的节段长度为2×3.5+22×4.0 m。箱梁顶板宽度为38.5 m，0#～6#截面的中室顶板为1～0.7 m的变厚区域，其余截面的中室顶板厚度为0.7 m，顶部设有0.3 m厚凸起构造，0#～6#截面的边室顶板为0.55～0.28 m的变厚区域，其余截面的边室顶板厚度为0.28 m；箱梁采用大悬臂构造，悬臂长为8.25 m，采用一次性浇筑，翼缘板端部设有0.7 m高的小纵梁。跨中箱梁的高度为3.8 m，支座处箱梁的高度为7 m。索塔高度为35m，主塔截面沿纵向的等宽段厚度为5 m，宽度在塔底10 m范围内由5 m变化至6 m；主塔截面横向宽度为3 m。图1、图2分别为主梁截面尺寸和主桥总体布置图。

图1 主梁截面尺寸图(单位：cm)Figure 1 Section dimension of main beam (Unit: cm)

图2 主桥总体布置图Figure 2 General layout of main bridge

2 东洲湘江大桥索力监测系统

2.1 系统建设流程

根据东洲湘江大桥的整体布置，并结合桥梁现场施工的具体情况，对大桥斜拉索制定合理的监测方案，从而对施工阶段和运营阶段的斜拉索进行有效监测。光纤光栅传感器智能索力监测系统建设流程如图3所示。

2.2 监测系统的组成

光纤布喇格光栅传感器索力监测系统是可用于在线实时观测远端索力变化的监测系统，可用于施工阶段监测和运营阶段长期在线实时监测。该系统包括传感器模块、数据采集与传输模块、数据处理与管理模块、数据分析与安全预警模块。

东洲湘江大桥索力监测系统网络包括内嵌光纤布喇格光栅传感器、光纤、跳线接头、传输光缆、中控室(主要仪器为光纤光栅解调设备)、无线传输设备(可置入光纤光栅解调仪内)及云端数据储存服务器。内嵌光纤布喇格光栅传感器将采集信号通过光纤、跳线接头和传输光缆传递到中控室，中控室内的光纤光栅解调设备将信号转换后通过无线网络传输到云端数据储存服务器，可通过电脑、手机或平板设备访问该服务器提取数据。东洲湘江大桥索力监测系统网络总体布置和实物如图4、图5所示。

图3 监测系统建设流程图Figure 3 Flow chart of monitoring system construction

图4 运营阶段监测系统网络总体布置图Figure 4 General layout of monitoring system network in operation stage

图5 监测系统总体布置实物图Figure 5 General layout of monitoring system

2.3 自感知钢绞线的制作与安装

为了能有效地利用光纤布喇格光栅传感器测量斜拉索的索力，该工程项目通过在钢绞线内部嵌入光纤布喇格光栅传感器来直接测量钢绞线的应变，经过简单计算即可得出斜拉索的索力。光纤布喇格光栅传感器的具体封装方法如下[13]：使用机器将钢绞线打散，将中心丝取出并在其表面沿纵向设置凹槽，将FBG粘贴到凹槽底部，再把中心丝与边丝重新扭绞成钢绞线，在端部引出光纤并将其封装保护。自感知钢绞线实物如图6所示。

图6 自感知钢绞线实物图Figure 6 Physical diagram of self sensing steel strand

为了及时掌握施工期间拉索的内力状况，决定对所有拉索索力进行监测，以便和施工监控有效地结合起来，因此在所有斜拉索上安装光纤布喇格光栅传感器，同时可为后期选取部分测点进行组网提供更多方案，以便根据桥梁施工情况临时变更组网方案。当桥梁进入成桥阶段时，对测点传感器进行组网，将施工阶段时的人工采集数据转换为计算机系统实时在线采集数据。由于数据的采集和传输量较大，为了使项目资源得到充分利用，在保障能有效采集索力数据的前提下，通过以下原则合理地选取了21个测点传感器进行组网：

为使给排水控制系统运行中涉及的电气设备运行故障得以及时处理，需要在PLC作用下将相应的轮换工作落实到位，并实现对这项工作过程的有效控制，确保系统中电气设备的良好运行。

① 在每种规格型号的索中选取代表性的索均匀布置测点。②选取索力最大的索、应力幅最大的索和安全系数最小的索进行监测。③测点布置宜包括上游、下游与中跨、边跨。

最终所选监测测点编号如表1所示。

表1 运营阶段监测系统组网监测测点Table 1 Network monitoring points of monitoring system in operation stage索塔测点编号位置索塔测点编号位置索塔测点编号位置10-s1-YX雁峰区下游11-s1-ZS珠晖区上游12-s2-ZX珠晖区下游10-s4-ZX珠晖区上游11-s4-YS雁峰区上游12-s3-YX雁峰区下游10-s6-YS雁峰区上游11-s8-YX雁峰区下游12-s5-ZS珠晖区上游10#10-s9-YX雁峰区下游11#11-s10-ZX珠晖区下游12#12-s7-YX雁峰区下游10-s11-ZS珠晖区下游11-s12-YS雁峰区上游12-s10-ZX珠晖区上游10-s15-YS雁峰区上游11-s14-YX雁峰区下游12-s15-ZS珠晖区上游10-s16-ZX珠晖区下游11-s16-ZS珠晖区上游12-s15-YS雁峰区上游

2.4 监测系统软件界面

如图7所示，系统左侧菜单栏选项分别为使用指南、首页面、传感器列表、管理配置、数据分析、状态评估、管理员管理，图中展示的即为系统

图7 监测系统首页界面Figure 7 Home page of monitoring system

首页面；点击下方的10#塔，即可直观地看到布置在10#塔上的传感器位置和监测情况，如图8所示；数据分析是本系统的核心功能，可以查看当前实时更新的监测数据，以及自系统建立以来的历史监测数据，并且还可以进行每个传感器数据的异常分析。

图8 监测系统10#索塔传感器Figure 8 Monitoring system 10# cable tower sensor

3 全桥索力监测结果分析

3.1 东洲湘江大桥有限元模型

本文采用桥梁有限元软件Midas/Civil对东洲湘江大桥进行有限元模拟，建立全桥有限元模型，共507个单元，512个节点。桥梁模型采用桁架单元来模拟斜拉索，其余单元均采用梁单元模拟，全桥有限元模型如图9所示。

图9 东洲湘江大桥有限元模型Figure 9 Finite element model of Dongzhou Xiangjiang Bridge

根据东洲湘江大桥的设计图纸，对材料特性进行设置。桥墩采用C55混凝土，主梁和主塔均采用C60混凝土，斜拉索采用单丝涂覆环氧喷涂钢绞线。斜拉索和混凝土容重、弹性模量、泊松比、线膨胀系数等参数按照设计规范选取。其自重根据设置的混凝土容重和钢材容重，按照施工顺序对主梁单元、索塔单元和拉索单元施加荷载；混凝土材料的收缩徐变与活载均按照现行公路桥涵设计规范设置；二期荷载与施工荷载分别取129.5kN/m与2000kN。

东洲湘江大桥采用挂篮悬臂的施工方法，根据设计资料的施工方案，将桥梁施工划分为51个施工阶段。通过桥梁有限元软件Midas/Civil的分析计算，在设计理论工况下各施工阶段的斜拉索的索力值如表2所示，成桥阶段的斜拉索索力计算结果如表3所示。图10为斜拉索编号示意图。

表2 施工阶段斜拉索理论索力F0Table 2 Theoretical cable force F0 of cable in construction stagekN编号不同施工阶段斜拉索理论索力张拉S1张拉S2张拉S3张拉S4张拉S5张拉S6张拉S7张拉S8张拉S9张拉S10张拉S11张拉S12张拉S13张拉S14张拉S15张拉S16S16 3506 3066 2636 2196 1776 1356 0986 0626 0275 9935 9625 9355 9005 8675 8385 812S2—6 3506 3046 2586 2126 1686 1296 0906 0536 0165 9835 9545 9165 8815 8505 821S3——6 3506 3016 2536 2066 1646 1236 0846 0456 0095 9785 9375 9005 8665 836S4———6 3506 3006 2506 2066 1636 1216 0796 0426 0085 9655 9255 8895 857S5————6 2606 2086 1616 1166 0716 0275 9885 9525 9065 8645 8255 791S6—————6 2606 2116 1636 1166 0706 0285 9915 9425 8965 8565 819S7——————6 1106 0606 0115 9625 9185 8795 8275 7795 7365 697S8———————6 1106 0455 9805 9215 8675 7975 7335 6745 621S9————————6 1706 1026 0405 9855 9115 8435 7815 725S10—————————6 1706 1066 0485 9705 8985 8335 775S11——————————6 1706 1096 0285 9535 8855 823S12———————————6 1706 0856 0075 9365 871S13————————————6 5806 4986 4246 356S14—————————————6 5806 5026 431S15——————————————6 5806 498S16———————————————6 580

表3 成桥阶段斜拉索理论索力Table 3 Theoretical cable forces of stay cables at completion stage编号斜拉索索力/kN索面一索面二索面三编号斜拉索索力/kN索面一索面二索面三S15 7955 8125 851S96 3846 1446 324S25 8605 8625 913S106 5186 2406 438S35 9315 9155 977S116 6466 3326 548S46 0165 9776 052S126 7697 0926 655S56 0195 9556 042S137 3327 5707 203S66 1196 0286 127S147 4847 6967 345S76 0585 9006 044S157 6317 7717 483S86 1895 9906 152S167 7747 8447 618

图10 斜拉索编号示意图Figure 10 Schematic diagram of cable numbering

3.2 张拉阶段索力监测结果分析

为了验证索力监测系统对索力监测的准确性与稳定性，控制好桥梁施工阶段的施工质量，在施工期间对张拉施工的拉索进行索力监测，每一测点共进行4次索力量测：

a.第1次量测为测点所在拉索张拉完成后。

b.第2次量测为测点所在拉索张拉完成，顺序进行张拉的第1根拉索张拉完成后。

c.第3次量测为测点所在拉索张拉完成，顺序进行张拉的第2根拉索张拉完成后。

d.第4次量测为全桥拉索全部张拉完成后。

以10#索塔为例，施工阶段的4次索力监测情况如表4所示。

表4 10#索塔斜拉索的索力监测情况Table 4 Cable force monitoring of 10# cable tower编号第1次量测F1/kNF1-F0F0%第2次量测F2/kNF2-F0 F0%第3次量测F3/kNF3-F0F0%第4次量测F4/kNF4-F0 F0%珠晖区上游6 5793.386 4071.366 4503.455 803-0.0310S1珠晖区下游6 4932.036 32106 3642.075 8971.59雁峰区上游6 5793.386 3640.686 4072.765 8280.4雁峰区下游6 4500.356 4071.366 2780.695 8791.27珠晖区上游6 4070.686 3640.686 4072.055 8340.5010S2珠晖区下游6 235-2.036 235-1.366 4502.745 8691.10雁峰区上游6 5362.706 4932.726 3210.685 8170.20雁峰区下游6 5793.386 4932.726 4072.055 8500.78珠晖区上游6 5363.46 3642.076 3642.075 781-1.1410S3珠晖区下游6 4932.726 3211.386 3211.385 8500.03雁峰区上游6 4071.366 3642.076 2780.695 9441.65雁峰区下游6 4502.046 4072.766 2780.696 0202.93珠晖区上游6 5362.706 4932.726 4072.765 9682.0610S4珠晖区下游6 4932.036 4502.046 3642.075 845-0.06雁峰区上游6 5362.706 4932.726 4072.765 9902.43雁峰区下游6 4501.356 4071.366 3211.385 819-0.50珠晖区上游6 4933.426 4073.476 3643.505 9742.9210S5珠晖区下游6 4502.746 3642.786 3212.805 8811.31雁峰区上游6 4072.056 3642.786 3212.805 9562.60雁峰区下游6 3641.376 2781.396 2351.405 9362.25珠晖区上游6 4072.056 3642.786 3212.805 8751.2110S6珠晖区下游6 3641.376 3212.086 2782.105 8290.41雁峰区上游6 4502.746 3642.786 3212.805 9622.70雁峰区下游6 4072.056 2781.396 2351.405 8961.57珠晖区上游6 1921.416 1491.426 1061.435 672-0.0810S7珠晖区下游6 2352.116 1922.136 1492.145 645-0.55雁峰区上游6 1490.706 1060.716 0630.715 7391.11雁峰区下游6 2782.826 1922.136 10605 8162.47珠晖区上游6 2702.706 2152.736 1602.755 8113.5810S8珠晖区下游6 3253.606 2152.736 1602.755 7913.23雁峰区上游6 1600.906 1050.916 1051.835 7362.25雁峰区下游6 2702.706 2703.646 1602.755 6110.02珠晖区上游6 3252.686 2702.706 2152.735 9013.1610S9珠晖区下游6 2701.796 2151.806 1601.825 9023.17雁峰区上游6 16006 10506 1050.915 7781.01雁峰区下游6 2150.896 1600.906 1601.925 8101.58

续表4 10#索塔斜拉索的索力监测情况编号第1次量测F1/kNF1-F0F0%第2次量测F2/kNF2-F0 F0%第3次量测F3/kNF3-F0F0%第4次量测F4/kNF4-F0 F0%珠晖区上游6 2150.896 1600.906 1050.915 679-1.6710S10珠晖区下游6 2701.796 2151.806 1601.825 9012.18雁峰区上游6 3252.686 2702.706 2152.735 9833.61雁峰区下游6 16006 1600.906 1050.915 8731.70珠晖区上游6 2701.796 2702.706 2152.735 9982.8910S11珠晖区下游6 16006 1600.906 1050.915 9632.27雁峰区上游6 2150.896 2151.806 1601.825 9992.90雁峰区下游6 3252.686 1600.906 1601.825 823-0.12珠晖区上游6 3252.686 2702.706 2152.736 0973.6110S12珠晖区下游6 2701.796 2151.806 1601.825 9921.81雁峰区上游6 2150.896 1600.906 1050.915 9020.29雁峰区下游6 2701.796 2151.806 1601.826 0382.61珠晖区上游6 8203.336 6552.546 6002.566 5312.3710S13珠晖区下游6 7101.676 6001.696 5451.716 5202.20雁峰区上游6 7652.506 6001.696 6002.566 4430.99雁峰区下游6 60006 5450.856 380-0.856 4270.73珠晖区上游6 7101.676 5450.856 380-0.856 4540.2910S14珠晖区下游6 7652.506 6552.546 6002.566 6252.95雁峰区上游6 7652.506 6001.696 5451.716 6513.35雁峰区下游6 7101.676 6552.546 4900.856 5982.54珠晖区上游6 7712.786 405-1.87 — —6 5480.3210S15珠晖区下游6 527-0.936 5880.93——6 487-1.62雁峰区上游6 7101.856 7102.80——6 6521.92雁峰区下游6 7101.856 7102.80——6 7343.18珠晖区上游6 7101.85————6 7482.4310S16珠晖区下游6 6490.93————6 6220.51雁峰区上游6 7712.78————6 8143.44雁峰区下游6 7101.85————6 6841.45

从监测数据来看，光纤光栅传感器所监测的索力具有良好的稳定性，传感器监测的索力值是施工张拉力实际值的反映，与通过桥梁有限元软件Midas/Civil计算的各工况索力值呈相同趋势。随着施工阶段的进行，10#索塔各传感器监测的索力与张拉索力理论值相差较小，每根斜拉索的监测索力与理论值相差最大不超过3.61%，说明光纤光栅传感器能良好地监测索力变化。

3.3 成桥阶段传感器测点索力监测结果分析

跨中合拢后，将实时在线监测测点组网，建立完成东洲湘江大桥索力监测系统，并对桥梁成桥阶段的索力变化进行监测。光纤光栅传感器将采集的索力数据传输到计算机系统上进行处理和保存，通过登录计算机系统可查看记录保存的数据。以10#索塔为例，组网完毕后2个多月间的索力变化如图11所示。

从图11中可以看出，各传感器监测的索力变化趋势基本一致。在日间索力随时间逐渐减小，傍晚时出现当日监测索力的最小值，此后夜间索力逐渐增大，凌晨时出现当日监测索力的最大值。根据每日索力变化的规律分析，由于拉索的钢绞线采用钢材，其线膨胀系数比混凝土材料大很多，更容易受温度变化的影响。在日间随着大气温度升高，拉索受热变得松弛，索力会逐渐减小；夜晚大气温度开始下降，拉索因降温出现绷紧现象，索力逐渐增大，因此，在每日的索力曲线图中，会在日间和夜间分别出现索力的最小值和最大值，监测结果能很好地反映出这个变化规律。与此同时，8月10号之前为桥面铺装施工，期间会增大桥面荷载，导致索力增大，因此在桥面铺装施工期间的索力是增大的，在折线图中呈现为逐渐上升的波浪线。桥面铺装施工后，桥梁进入为期10 d左右的施工间歇期，之后开始进行栏杆安装和人行道铺砖，期间桥面施工规模较小，桥面荷载变化不大，索力受到的影响很小，主要受温度变化影响。为了检验桥梁结构的承载能力和工作状态是否满足设计和规范的要求，在9月3号至9月6号进行了成桥试验，由于车辆荷载较大，在试验期间索力先增大后恢复到加载前的状态。

图11 系统监测成桥阶段索力变化情况(单位： kN)Figure 11 Change of cable force during bridge completion stage (Unit: kN)

在成桥阶段实时监测索力期间，桥面荷载和温度变化会使索力产生较大的变化，其对索力的影响能在监测系统中良好地反映出来，索力监测系统能有效地监测拉索的索力变化情况，监测索力值与理论设计值误差不超过5%。

3.4 成桥阶段传感器测点拉索的健康状态分析

系统通过采集索力数据与设计值进行对比，判断出异常的索力数据，从而实现监测拉索的健康状态。以10#为例，取最终组网的3个传感器进行分析，图12～图14为成桥阶段传感器测点索力异常的分析结果。可以看出成桥阶段10#索塔各传感器测点索力都未超过系统设置的阈值，索力数据较稳定，成桥阶段拉索正常工作，能对桥梁进行后继施工。

综上所述，成桥阶段期间所有传感器测点索力数据无异常，拉索正常工作，索力监测系统能有效地监测拉索的健康状态。

图12 测点编号：10-s1-YXFigure 12 Measuring point No.10-s1-YX

图13 测点编号：10-s4-ZXFigure 13 Measuring point No.10-s4-ZX

图14 测点编号：10-s6-YSFigure 14 Measuring point No.10-s6-YX

4 结论

本文根据光纤布喇格光栅的原理制作了自感知钢绞线并依此建立了索力监测系统，结合东洲湘江大桥设计施工说明书，运用桥梁有限元软件Midas/Civil建立全桥有限元模型对该桥进行有限元模拟，计算出施工阶段拉索的索力。对比现场监测结果，得出以下结论：

a.从施工阶段索力的监测数据来看，采用自感知钢绞线监测获得的索力具有良好的稳定性，监测的索力值是施工张拉力实际值的反映，与通过桥梁有限元软件Midas/Civil在各阶段工况下计算的索力值呈相同趋势。随着施工阶段的进行，传感器监测的索力与张拉索力理论值相差较小，监测索力值与理论值相差不大于3.61%，自感知钢绞线能良好地监测索力变化。

b.从成桥阶段索力的监测数据来看，其监测结果能准确地反映传感器测点索力的实际变化情况；系统显示监测的成桥阶段索力均未超过设计值的5%，索力数据正常，拉索正常工作，能对桥梁进行后继施工。索力监测系统能有效地监测拉索的健康状态。

c.该系统成功地应用在东洲湘江大桥上，其能够有效地监测拉索的索力，正确反应桥梁拉索的健康状态；系统用户通过登陆服务器可查看现阶段和历史记录的传感器测点索力与其健康状态。