基于干涉型光纤传感器桥梁变形监测

赵祥林

（中国铁建港航局集团有限公司，广东 广州 511442）

1 概述

通过监测桥墩的内部运行状态，能够确保桥梁结构的安全和稳定，保证桥梁结构受力合理和线形平顺，为大桥安全提供重要保障[1-5]。当前，国内外学者通过多种监测手段监测分析桥墩。

张鸿祥等[6]利用徕卡TS30高精度全站仪监测桥墩平面位移；熊一[7]为保护江肇高速主线桥及公路行车安全，针对主线桥的桥墩建立监测系统，开展系统性监测，并分析对比所获得的监测结果，研究桥体的稳定性；李振东等[8]研究了碳纳米管混凝土在桥墩节点处的智能监测；王守越等[9]提出特殊的桥墩水平位移监测方法，在实际跨海大桥桥墩水平位移监测工作中开展应用分析。

以上方法对桥墩监测具有一定的实用性，但在监测精度和广度上仍需进一步改进研究。光纤监测是近年来一种高精度、基于光纤传感的渗流温度监测系统，可持续了解桥墩状况，提升桥墩安全水平，能够通过高空间分辨率温度数据来检测微小的渗流变化并计算桥墩结构中的渗流率，因此具有广泛的应用前景。本文以某省道大桥为例，采用分布式光纤监测分析桥墩内部的力学和热力学性能，同时还对比分析了传统监测手段与光纤监测结果的异同，研究成果可为相关工程提供参考。

本文选取的大桥为主跨150m连续刚构桥梁，墩身为薄壁实心钢筋混凝土墩，除应用了包括伸长计、压力计、热电偶、GPS和大地测量仪器在内的传感器监测桥墩外，还额外安装了一个分布式光纤监测传感器系统（以下简称“DFOS”），主要目的是验证常规传感器的测量结果，特别是用于掌握应变、温度和混凝土裂缝发展状况。将DFOS安装在桥墩上，并在4个多月的不同时间间隔内进行检测。

2 光纤安装位置

此次研究的DFOS安装在桥墩上，靠近现有的监测系统，包括两个引伸计、1个测缝仪、1个压力计和结构内的5个热电偶式温度计。DFOS安装形成了一个环形路径，因此，如果DFOS在其一个位置损坏，其他位置仍然可以开展监测工作。探测器被放置在1个有控制和恒温条件的盒子中。安装光纤后，用高强度砂浆（通常用于桥墩维修）填充网格沟槽，以避免光纤和混凝土之间的相对应变（位移）。本文给出的结果范围为2018年9月～12月，气温从18℃下降到零下10℃。

3 数据分析方法

如前所述，两次测量之间的光谱偏移ΔvOBR与温度ΔT和应变Δε的变化成正比。从数学上来说，可以用如下方程来表示：

比例系数与每种不同纤维的性能相关。本文所采用的光纤V9和DIS光纤类型相同，因此可以假设系数近似相等，只要已知其中一个应变和温度，就能从方程式（1）中获得全部应变和温度。当前，主要有两种不同的方法来获取两个未知数中的一个并求解方程式（1），即使用两种不同的光纤或使用两种不同的测量技术。最简单的方法是用两个独立的DFOS测量，其中一个只受温度变化影响和使用此信息补偿第二个相邻DFOS（V9）上的热效应。该程序采用方程式（2）计算：

对于数据的收集识别，首先在桥墩面不同位置加热DFOS，识别网格的初始部分和末端部分。热源在确定的DFOS位置产生了较大的应变，从而可以在安装的网格上精确映射信号。栅格几何体由8个相邻的夹角组成，总宽度为4m，高度为7.8m。DFOS的预埋件总长度为8m。所采用的几何结构允许在水平和垂直应变分量变化之间进行清晰的分离。值得一提的是，安装时必须优化DFOS路径，避免交叉，导致干扰信息嵌入。

4 测量结果分析

通常使用DFOS获得的温度和应变测量值是相对的，而不是绝对的，并且始终与参考零点测量值相关。如图1（左）给出了与9月21日的参考测量值（首次测量）相比，12月18日温度分布（整个嵌入式传感器）的变化。如图所示，测量结果出现了显著的温度变化，从9月到12月，温度的相对下降约为25℃。图1（右）给出了12月18日整个嵌入式DFOS的应变变化。由图可知，测量结果有3个～4个主峰，与DFOS在3个～4个不同位置的垂直裂缝交点相对应。图2给出了桥墩表面不同时期和位置的温度和应变的叠加变化。这是由于覆土的隔热效应，基础埋件温度相对稳定。

图1 温度与应变测量结果

图2 温度和应变的叠加变化

值得一提的是，安装在混凝土墙中且直接暴露在空气中的DFOS部分显示出明显的下降趋势。另一个重要的观察结果是，也可以在相同位置的DTS传感器电缆中识别应变峰值（明显由裂纹引起）。当电缆发生较大变形时，DTS传感器电缆中的光纤也可能开始拉伸，从而变得对应变敏感。

图3给出了不同时期沿着桥墩表面的应变场的演变，参考测量从9月21日开始。DFOS测量值是在整个表面上进行线性插值，以获得二维应变场。深色区域对应压缩应变（负），浅色区域代表拉伸应变（正）。从图3中，可以清楚地观察到由浅色区域表示沿着桥墩表面垂直裂缝的位置，之后通过工作人员检查确认。由于温度下降，裂缝应变在冬季达到峰值，意味着桥墩收缩裂缝正在扩大，应当采取一定的应急防范措施，同时也表明光纤监测的准确性。

图3 不同时期沿着坝墙的应变场的演变

图4给出了3段光纤在桥墩表面垂直位置的延伸/压缩，每段电缆长4m。这一监测结果是通过时间序列积分得到的。通过观察发现，桥墩压缩变形会随着冬季温度的降低而增加，10月份白天定期测量结果表明，10月白天的温度梯度最高。根据这些结果可以得出，白天温度变化影响可被忽略。

图4 三段光纤在坝墙垂直位置的延伸/压缩

5 光纤监测与传统测缝计对比分析

DFOS的裂缝宽度与测缝仪之间的比较，如图5所示，随着温度的降低，可以清楚地观察到开口裂纹的变化趋势，两种测量系统的测试结果一致性，但DFOS精度更高。使用DFOS应变传感器测量出了大于2000微应变的大应变，可以清楚地看到裂纹的变化规律。本文通过测量结果，提出了一种简化方法，通过DFOS测量来估计裂纹宽度。通常，峰值与应变测量值之间的距离可以视为裂纹间距，裂纹宽度可通过整合峰值两侧的拉伸应变分布来估计。显然，裂纹宽度远小于测量拉伸应变的区域，光纤在比裂纹更宽的区域内拉伸，如果将拉伸应变在特征长度上进行积分，即可获得裂纹宽度。

图5 DFOS 的裂缝宽度与测缝仪之间的比较

6 结束语

本文以某省道大桥为例，采用分布式光纤监测分析了桥墩内部的力学和热力学性能，同时还对比分析了传统监测手段与光纤监测结果的异同。结果表明，光纤监测能够明显监测出桥墩内部应力状态变化，其中与9月21日的参考测量值（首次测量）相比，从9月到12月，温度相对下降约25℃。此外，桥墩压缩变形随着冬季温度的降低而增加，但白天温度变化影响可以忽略不计。最后，通过对比光纤监测与传统测缝计监测结果得出，大量常规和不同类型的裂缝测量设备可以用DFOS代替，大大降低了监测成本，同时也提高了监测安全性，值得应用推广。