光纤传感在斜拉桥塔柱应变监测中的应用研究

2022-07-28张乙彬

四川水泥 2022年7期

张乙彬郭倩

（1.贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵阳 550000；2.贵州交通职业技术学院，贵阳. 550000）

0 引言

斜拉桥凭借其独特的构造与良好的外观，在当前的桥梁工程建设中得到了越来越广泛的应用[1-2]。塔身应力控制是保障结构安全和裂缝控制的关键手段，受施工荷载和气候变化影响，塔身应力也会经常变化，应力过大将造成塔身表面产生裂缝，影响结构安全。现有应力监控方法是在特征点埋设应变片进行监控量测，传统传感器不仅安装施工复杂，而且后期监测线路凌乱，难以进行大面积、大范围监测，数据采集主要依靠人工监测，不能做到实时采集及传输。而新兴的光纤传感器监测方法能对桥塔施工期进行应变监测，实时分析桥塔施工时的应力状态，控制主塔施工质量和安全。本文就光纤传感在斜拉桥塔柱应变监测中的具体应用进行介绍。

1 工程概况

某特大桥为249.5m+2×550m+249.5m 的叠合梁斜拉桥，桥梁全长2135m。全桥平面均位于直线段。主塔采用钻石形索塔，塔柱在横桥向下横梁以上的形式为“A”型，下横梁以下的形式为花瓶型；在纵桥向上横梁以上的形式为单肢空心薄壁型，上横梁以下至下塔柱的形式为双肢空心薄壁型，塔墩的形式为单肢空心薄壁型。上塔柱高78.2m，中塔柱高75.55m，下塔柱高50.25m，塔墩高116.0m。塔柱采用C50混凝土浇筑。

2 监测方案

2.1 监测目的

塔身应力控制是保障结构安全和裂缝控制的关键手段，受施工荷载和气候变化影响，塔身应力也会经常变化，应力过大将造成塔身表面产生裂缝，影响结构安全。同时，中塔柱为倾斜式，在完成上横梁施工前，中塔柱一直处于悬臂状态，需在适当位置加设临时横撑，因此开展中塔柱应变监测，对判断截面应力是否满足规范要求是必要的[3]，同时实时监测可反映中塔柱受力状态，为增设临时横撑提供依据。

2.2 传感器选择

振弦式传感器是基于机械结构式原理研发的传感器，易受复杂的桥梁施工条件影响，如气候、施工荷载等因素，使其适用范围具有很大的局限性。同时，特大桥外部条件的复杂性，也是造成传统传感器及其引线破坏的重要原因，使得传统传感器难以满足长期监测的任务。

光纤传感技术是一种新兴的传感监测技术。目前研制成功的光纤传感器可以实现包括应变、温度、位移等绝大部分物理量的监测，已广泛地应用于土木、水利、智能结构等众多领域。光纤传感技术的优势在于，可以实现大范围、高精度、长时期地监测；同时，因其主要材料为二氧化硅，其绝缘性好、稳定性高，可对异常区进行精准定位。因此，本次监测工作采用先进的光纤传感技术。

2.3 监测点布置

塔柱从下横梁顶开始分为4个中塔柱，在4个中塔柱底布置监测截面，见图1，每个中塔柱截面角点处布置4 个测点，见图2。每个监测点布置带有温度补偿的光纤应变传感器。

图1 监测截面示意图

图2 监测点位布置图

2.4 传感器安装

为了保证传感器对变形的敏感性，结合现场实际情况，采用封装好的埋入式传感器，并将应变传感器与温度传感器封装在一起。将4 支轴向应变计串联成一个光纤串（见图3），引出两个感测跳线头，并将感测跳线接入无线值守型光纤光栅调制解调仪（见图4）。

图3 传感器熔接

图4 无线值守型光纤光栅调制解调仪

2.5 数据处理

光纤传感器测得的直接变量为光纤的中心波长值，需经过数据处理，转变为应变值。

式中：λ0、λT0——分别为光纤应变传感器、温度传感器的初始波长值；

λi、λTi——分别为第i 次测得的光纤应变传感器、温度传感器的波长值；

εi——测点的应变值；K为应变标定系数。

3 4个塔柱应变监测结果分析

3.1 A、B、C、D号塔柱应变监测结果

A号塔、B号塔、C号塔和D号塔柱应变监测时程曲线分别见图5～图8，四个塔柱4个监测点的应变变化同步，C号塔柱2#监测点光纤传输线破损无法继接。

图5 A塔柱应变监测时程曲线

图6 B塔柱应变监测时程曲线

图7 C塔柱应变监测时程曲线

图8 D塔柱应变监测时程曲线

A 号塔柱全截面在监测期间均呈现受压状态。3#、4#监测点位于塔柱内侧，3#监测点压应变最大（最大压应变713.83με），4#监测点次之，而1#和2#监测点应变相当。4 个监测点在双肢合拢前压应变随塔高增加基本呈线性增长，双肢合拢及上塔柱施工期间压应变基本处于稳定状态。

B 号塔柱外侧（1#点和2#点）在前期处于受拉状态，内侧全过程处于受压状态。3#、4#监测点位于塔柱内侧，4#监测点压应变最大（最大压应变610.35με），3#监测点次之，2#监测点压应变最小。4个监测点在双肢合拢前压应变随塔高增加基本呈线性增长，双肢合拢及上塔柱施工期间压应变基本处于稳定状态。

C 号塔柱外侧（3#点和4#点）在前期处于受拉状态，内侧全过程处于受压状态。1#、2#监测点位于塔柱内侧，1#监测点压应变最大（最大压应变603.72με），2#监测点次之，3#监测点压应变最小。3个监测点在双肢合拢前压应变随塔高增加基本呈线性增长，双肢合拢及上塔柱施工期间压应变基本处于稳定状态。

D 号塔柱外侧和4#点全过程处于受拉状态；3#点前期处于受拉状态，在上肢合拢前处于受压状态，上肢合拢及上塔柱施工期间回归受拉状态；内侧全过程处于受压状态。1#、2#监测点位于塔柱内侧，2#监测点压应变最大（最大压应变737.58με），2#监测点次之，3#监测点压应变最小。3 个监测点在双肢合拢前压应变随塔高增加基本呈线性增长，双肢合拢及上塔柱施工期间压应变基本处于稳定状态。

3.2 监测结果分析讨论

中塔柱在合拢前处于悬臂状态，在塔柱自身及施工荷载的作用下，内侧、外侧受力状态不同，甚至在外侧产生拉应力，在塔柱底部形成弯矩应力[4]。本次传感器是在中塔柱底部第一节段钢筋绑扎完成后安装的，因此，在混凝土凝结前，传感器记录的主要是钢筋受力的应变值，为反应混凝土的受力特征，以混凝土凝结后采集的光纤光栅波长值作为初始值。处理后的监测数据显示，4根中塔柱内侧最大压应变为552～669με（见图9），各塔柱底部轴力值相差约4MPa，反映各塔柱承受的荷载基本相同，这种应力差可能是由于施工过程中，安装临时横撑时两侧的塔柱进度不一致，悬臂长度不等导致的自重应力差异；中塔柱外侧在前期承受拉应力，在施工临时横撑后，应变状态逐渐转变为压应力，这也反映出临时横撑对塔柱施工质量的重要作用[5]。

图9 中塔柱内角点最大压应变监测值

目前，钻石型索塔或H 型索塔中塔柱均为单肢型。在临时横撑设计时，仅需考虑横桥向的弯矩作用，而本次依托工程中塔柱为双肢薄壁型，除横桥向有较大的弯矩外，纵桥向也存在应力差。以A 塔柱监测数据为例（见图10），横桥向1#、4#监测点应变差值最大为270με，2#、3#监测点应变差值最大为559με，纵桥向1#、2#监测点应变差值最大为32με，3#、4#监测点应变差值最大为337με，可见，纵桥向的应力差可达到横桥向应力差的1/2以上，双肢中塔柱实际处于压扭性受力状态，较仅受偏压的单肢塔柱更复杂，因此纵桥向的应力控制也是不能忽视的。