光纤光栅传感器在桥上无缝道岔结构模型试验中的应用

张 强，赵信洋，刘学毅，杨荣山

(西南交通大学 土木工程学院，成都 610031)

自20世纪70年代加拿大通信中心的HILL K O［1］等人首次在掺锗光纤中采用驻波写入法，制成第一根光纤Bragg光栅(FBG)以来，光纤光栅的制作与解调技术有了飞跃的发展，在工程实际中光纤光栅也逐步得到了应用。光纤光栅传感器可测量的物理量较多，包括位移、应变与温度等。以往典型的传统测量方法是利用电阻应变片进行数据的测量，传统的测量方法暴露出灵敏度低、长期稳定性差、寿命短等缺陷。而光纤光栅传感器具有常规检测技术不可比拟的优点，如灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、抗电磁干扰、光电可挠曲、易与计算机连接等。同时其结构较为简单、尺寸小、质量轻、频带宽，可进行温度、应变等多种参数的分布式测量。

桥上无缝道岔［2］是当前客运专线建设中的重点、难点与热点问题。道岔模型试验是根据一定的相似原理对特定道岔结构进行缩尺研究的一种方法，本文基于一组铺设在3×32 m无砟桥上的客运专线18号道岔进行模型试验，以研究桥上无砟无缝道岔的受力和变形规律，该试验模型的比例为1∶3。由于该道岔模型结构尺寸较大，测点较多，且要求测量工具的精度要高、抗干扰能力强、体积小巧，传统的测量与监测方法(电阻应变片等)难于满足要求。基于以上原因，在试验中，在道岔模型上分别布置光纤光栅传感器，研究桥上无砟无缝道岔的受力和变形规律，验证光纤光栅传感器在该模型系统中应用的合理性。由于诸多原因的限制，如光纤的包层材料、解调仪器等问题，光纤Bragg光栅(FBG)传感器在模型结构试验中以及实际工程中应用并不多。目前文献中有汪日光［3］等以及董建华等［4］将光纤光栅传感器应用于桥墩模型试验以及重力坝结构模型试验。但是光纤光栅传感器应用在客运专线道岔中的研究还很少。

1 光纤光栅传感器的原理

光纤 Bragg光栅(FBG)传感器的基本原理是:当光栅周围的温度、应变或其它待测物理量发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率随之发生变化，从而产生光栅Bragg信号的波长位移。通过监测Bragg波长漂移情况，即可获得待测物理量的变化情况，见图1。

图1 光纤Bragg光栅传感原理

对于光纤Bragg光栅，波长λB为入射光谱通过光纤Bragg光栅时反射回来的中心波长

式中，Λ为光栅周期;λB为反射光谱的中心波长，一般为1 510～1 590 nm;neff为光纤纤芯有效折射率。

对于特定的光栅而言，中心波长的漂移与应变和温度有关。当光栅受到拉伸或受热膨胀时，波长增大;光纤受到压缩或遇冷时波长减小。环境温度发生变化时，光纤光栅中心反射波长变化为

由应力应变引起的光纤光栅反射波长的变化为

式中，ΔλB为在外界因素作用下光纤光栅反射波长的变化量;ε为光纤光栅轴向应变;α为光纤光栅的热膨胀系数;ζ为光纤光栅的热光系数;ΔT为温度变化量;Pe为光纤的弹光系数。

由公式(2)及公式(3)可知，光纤Bragg光栅对温度和应变有很好的线性关系。光纤Bragg光栅传感器以光的波长为最小计量单位，目前对光纤Bragg光栅波长漂移的探测分辨率已达到pm量级，因而其具有测量灵敏度高的特点。而且只需要探测到光纤中光栅Bragg波长分布图中波峰的准确位置，比一般的光纤传感器具有更高的抗干扰能力，并且其动态变化范围较大。

2 道岔结构模型试验

2.1 对比试验

为了验证光纤光栅应变传感器在桥上道岔模型试验中的可行性，取一根约1 m长、60 kg/m型钢轨，将电子应变片和光纤光栅应变传感器分别粘贴在钢轨底面中心线两侧。用液压千斤顶加载，液压千斤顶可以提供的最大油压为30 MPa，合100 kN的载荷当量，能够满足模拟试验的要求。分别记录下电子应变计及光栅应变解调电路的读数，通过光纤光栅解调仪测得光纤光栅传感器波长漂移量，从而可以计算出测点处的应变量。从应变测量的结果(见图2)可以看出，两者的趋势较为一致。说明光纤光栅应变传感器可以应用到该桥上无缝道岔模型试验中去［5-9］。

图2 光纤光栅应变传感器与电子应变计测量比较

2.2 桥上无缝道岔结构模型

桥上无缝道岔模型结构的比例为1∶3，见图3。为使道岔模型结构处于无缝线路固定区，需将道岔两端用反力墩固定。钢轨扣件采用扣板式扣件，用 Q235钢材轧制而成。采用板式无砟轨道，结构尺寸按相似比设计。轨道板可与模型桥面单点或多点联结，以模拟无砟道岔与桥梁的不同连接形式，以及板式轨道和轨枕埋入式等无砟道岔结构。道床板厚采用20 mm，板宽从1 m至2 m均匀变化。综合考虑模型梁体强度，重量及加热方式等，确定采用钢板单孔(或双孔)箱形梁模拟客运专线混凝土梁。桥梁支座采用橡胶支座，制作、安装方便。两边桥台采用钢筋混凝土浇筑，混凝土强度等级C40。

图3 桥上无缝道岔模型

对无缝道岔结构采用电力升温方式，通过高频变压器将380 V的高电压、低电流交流电，转变为电压低于36 V，电流达2 000 A的直流电。由于电流较高，采用铜板作为导线。梁体通过柴油加热装置升温，在梁体的底面布置温度感应器，当箱梁升到目标温度时，燃油机将自动停止加热。光纤Bragg光栅传感器布置在事先确定好的道岔测点上，安装在测点上的光纤Bragg光栅传感器通过控制室中的解调仪进行数据的提取。

3 试验结果及其分析

模型试验的理论计算采用“岔 －板 －梁 －墩”一体化计算模型。在梁体和无砟轨道道床板或道岔板的温度变化以及道岔里轨随温度变化伸缩的作用下，梁和道床板、道岔之间产生相对位移，道岔和道床板产生纵向附加力。然后对桥面作用大小相等、方向相反的反作用力，此力通过梁、支座传递至墩台，在道岔、道床板以及桥梁之间形成一个纵向相互作用的力学平衡体系。为验证计算理论，以连续梁2号墩固定CRTSⅡ型板式无砟轨道结构以及连续梁2号墩固定CRTSⅠ型无砟轨道结构为例［10-11］，将道岔基本轨纵向力的实测值与理论计算值进行了对比。根据实验条件，梁体和道床板温度升高30℃;道岔的温度升高40℃。每一种工况做三次试验，结果见图4、图5。

通过这两种工况可以看出:在桥梁和路基交界处、限位器处将出现钢轨纵向力的拐点。当无缝道岔铺设在连续梁上时，道岔范围内并未出现最大纵向力峰值，钢轨的最大纵向力出现在道岔前端连续梁和路基的交界处，最小纵向力出现在辙叉前。在两种无砟轨道结构中，CRTSⅡ型板式无砟轨道的基本轨纵向力较小。

图4 连续梁2号墩固定CRTSⅡ型板式无砟道岔基本轨纵向力实测值与理论值对比

图5 连续梁2号墩固定CRTSⅠ型无砟道岔基本轨纵向力实测值与理论值对比

从图4、图5还可以看出，在上述两种工况试验中，试验值与理论值存在一定的差异，但是差值并不大，且其变化规律基本一致。误差的产生主要是因为该模型结构尺寸较大，在安装桥梁与道岔模型时存在一定量的装配误差。同时在梁体加热与钢轨加热试验过程中，梁体、钢轨升高的温度并不是处处均匀的，只是总体较为均匀，在这个过程中也造成了一定的误差。

4 光纤光栅传感器在客运专线中的应用前景

由于在客运专线上运行的列车速度较快，部分列车运行速度甚至达到350 km/h。在这样的运行状态下，无砟轨道系统的各个部件必将产生较大的动荷载，同时将产生一定的疲劳效应以及疲劳伤损。因此对于如何有效地检测无砟轨道结构的应力、应变、振动损伤与裂缝，监视荷载响应、跟踪其长期性能，以及对可能出现的各种灾害进行预测并评估其安全性显得尤为重要。传统的传感器件(电阻应变片)组成的监测系统难以满足该工程结构这些方面的需要。因此为了探明无砟轨道结构在列车动荷载作用下的内部机理，可以将光纤光栅传感器应用到其中，对其进行长期检测。以轨道板为例，轨道板通常为预应力钢筋混凝土结构，在高速列车以及自然条件的作用下，可以通过在轨道板上布置光纤光栅传感器，然后通过监控中心的仪器直接长期监测其荷载效应以及伤损情况。

5 结语

以桥上无缝道岔模型试验为基础，探索了光纤光栅传感器在桥上无缝道岔模型中应用的可行性。通过结果对比与分析，说明光纤光栅传感器技术用于监测客运专线无砟轨道结构系统是合理、可行的。同时由于光纤光栅传感器的独特优点，其将在客运专线无砟轨道结构监测与维护方面发挥重要作用。当然光纤光栅传感器也有自身的不足之处，其解调技术有待进一步研究以提高测量精度，同时需从传感原理与制作工艺等方面入手，研制性价比高的传感器，以利推广应用。

［1］HILL K O.Photosensitivity in optical fiber waveguides:application to reflection filter fabrication［J］.Applied physics letter，1978(32):647-649.

［2］王平，刘学毅.无缝道岔计算理论与设计方法［M］.成都:西南交通大学出版社，2007.

［3］汪日光，叶献国，孙汝蛟，等.光纤光栅传感器在桥墩模型试验中的应用［J］.建筑科学与工程学报，2007，24(3):51-55.

［4］董建华，谢和平，张林，等.光纤光栅传感器在重力坝结构模型试验中的应用［J］.四川大学学报(工程科学版)，2009，41(1):41-46.

［5］王建平.光纤光栅传感器在土木工程结构健康监测中的应用［J］.贵州工业大学学报(自然科学版)，2004，33(1):77-84.

［6］张岩，康熊.光纤光栅传感器在铁路领域中的研究与运用［J］.铁道机车车辆，2008，28(4):45-49.

［7］李宏男，李东升.土木工程结构安全性评估、健康检测及诊断述评［J］.地震工程与工程振动，2002，22(3):83-90.

［8］刘永前，杜彦良，王新敏，等.埋入式 F-P光纤应变传感器在混凝土桥梁健康检测中的应用研究［J］.光学技术，2006，32(3):349-352.

［9］刘永前，张彦兵，王新敏.埋入式F-P光纤应变传感器的疲劳性能试验研究［J］.传感技术学报，2006，19(4):1219-1222.

［10］广钟岩，高慧安.铁路无缝线路［M］.北京:中国铁道出版社，2005.

［11］赵国堂.高速铁路无砟轨道结构［M］.北京:中国铁道出版社，2006.