分布式裂缝监测技术在桥梁上的应用

刘发水

（福州市公路局，福州 福建 350211）

分布式裂缝监测技术在桥梁上的应用

刘发水

（福州市公路局，福州 福建 350211）

裂缝检测及监测一直是桥梁管理养护中的重要任务，而传统的应变传感器是点式的监测方式，难以覆盖桥梁上出现裂缝的部位。文章对分布式的光纤传感技术进行了介绍，通过室内试验应用于混凝土梁，验证了该技术裂缝监测的效果，结果表明分布式裂缝监测技术能够克服传统的点式传感的缺点，具有重要的工程价值。

分布式传感技术；混凝土裂缝；应变传感器；结构安全；状态评估

1 概述

近年来，国民经济快速发展对道路交通的要求越来越高，我国的公路桥梁建设突飞猛进，各类桥梁拔地而起。我国的桥梁建设不论在建设数量、规模，还是技术难度上，都已位居世界桥梁建设强国之列。预计到2020年，中国还将新建大中小桥梁20万座。但是桥梁结构的运营安全状态形势却日趋严峻。我国最新统计数据显示，在70多万座公路桥梁中，各类病桥的数量已逼近10万座，其中危桥近2万座，且各类恶性事故屡有发生。

因此，需要对桥梁的健康状况做定期检查以了解桥梁的损伤程度以及剩余承载能力。既有桥梁的结构损伤检测和状态评估问题20世纪50年代就已提出并深受重视，除大量研究文献外，已出版有若干方法和规程。

在影响桥梁安全的多种病害中，混凝土裂缝是桥梁中常见的病害，其中严重的结构开裂将会对桥梁结构安全构成威胁。因此，裂缝检测及监测一直是桥梁管理和养护中的重要任务。本文提出一种基于长标距光纤的分布式传感技术，介绍了裂缝监测原理，并在实验室中进行了试验验证。试验结果对长标距光纤分布式传感技术的应用具有指导意义。

2 光纤传感技术分析

光纤传感技术是在20世纪70年代随着光纤制造和光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，是一种以光为载体，光纤为媒介，感知与传输外界信号为一体的高精度传感技术。光纤传感技术的类型多，可以监测的物理量多，包括应变、温度、变形，以及各种化学参量等。

与传统的电信号相比，光纤传感器具有众多独特的优势： (1)质量轻、体积小，普通光纤外径为250 μm，最细的传感光纤外径直径仅为35～40 μm，可在结构表面或者埋入结构体内部，对被测结构影响小；(2)灵敏度高，传输频带宽，采用波长调制技术，分辨率可达到纳米量级；(3)耐腐蚀，光纤涂覆层为高分子材料，化学性能稳定，适合长期监测；(4)抗电磁干扰，光信号传输时，不会与电磁场产生作用，因而信息在传输过程中抗电磁干扰能力较强；(5)分布或准分布式测量，能够用一根光纤测量空间多点或者无限自由度的参数分布；(6)使用期限内维护费用低。

随着光纤传感技术的发展，分布式光纤传感技术在结构裂缝检测方面的优势更加明显，它能同时测量空间多个点的环境参数，甚至能测量空间连续分布的环境参数。对于大型重要结构，结构损伤的开展存在较大不确定性，传统的“点式”传感器难以准确反映结构的损伤信息，分布式光纤传感技术的发展应用很好地实现了土木结构的分布式监测。丁睿等［1］基于分布式光纤传感技术检测裂缝的原理,讨论了光纤的布置方式，并通过模型实验探讨了光衰减与裂缝宽度的关系，获得了相应的经验公式；唐天国等［2］研究并应用了一种新型分布式光纤传感器，埋入混凝土并与预期裂缝相交一定斜角，当裂缝出现引起光纤局部微弯,并诱发瑞利散射光产生衰减，用光时域反射技术实现分布式检测；毛江鸿等［3］围绕BOTDA技术应用于结构应变和开裂监测中的关键技术，通过理论分析和试验研究完善了分布式传感光纤在混凝土内部的布设工艺，同时进行了分布式光纤监测结构开裂的试验研究；张少杰等［4］采用混凝土模型实验研究一种新型光纤碳涂覆光纤的传感特性，测定了分布式光纤传感用于混凝土结构裂缝监测中的力-光本构关系和性能参数；郭宗莲等研究了可用于重大工程结构的分布式传感技术，包括基于布里渊散射的光纤传感技术、封装长标距光纤光栅（FBG）技术［5］等等，这些传感技术的特征是具有长的测量标距（按实际需求确定），且可以实现大范围的分布监测，其中长标距FBG传感技术可用于动静态精确测量，测量精度1～2 με，适用于结构在动力荷载下的动态监测。

目前，光纤传感器可以测量位移、震动、转角、压力、加速度、温度、湿度和应变等物理量。

普通FBG的传感栅区大约2 cm左右，与常用的钢筋电阻应变片的尺寸相仿，将FBG全面粘贴在结构表面，除了传输通道为一根光纤外，与应变片一样，只监测了结构某些点的应变，并不能实现分布式测量。当随机裂缝产生时，没有与裂缝在同一位置的长标距光纤FBG有可能应变值下降，无法实施有效的损伤识别。但是通过两个锚固点FBG可以测量它们之间的结构平均应变。在FBG长标距化之后，通过不同方向串联传感器，可实现结构的一维、二维和三维的分布式测量。长标距光纤光栅传感器如图1所示。

图1 长标距光纤光栅传感器

3 基于分布式光纤监测的RC梁试验

作为一种传统的结构性能的评价方法，现场测试因为其理论简单以及较少的数据处理和信号分析，受到人们的青睐。因此，采用室内实验研究分布式长标距FBG监测系统在混凝土桥梁监测中的可行性很有必要。

3.1 试验准备

采用6 m长的RC梁进行静载试验，采用四点弯曲加载，从而验证本文监测系统的可靠性以及分布式长标距FBG监测理论对于健康监测的适用性。混凝土梁的尺寸、配筋及加载形式如图2所示。

图2 试验梁加载形式及配筋图（单位：mm）

封装好传感器分别布设于梁的受拉和受压区，监测梁的分布应变。开槽埋入梁的底部受拉侧和受压翼缘，其标距和具体布设情况如图3所示。梁挠度采用电测百分表（LVDT）进行测量。采用同类型的FBG传感器粘贴于不受力的混凝土试块上进行温度补偿，加载过程中使用裂缝观测仪对梁的裂缝进行观测。

图3 传感器布设示意图（单位：mm）

此外，为了保证解调设备的正常工作，位于同一通道内的FBG初始波长选择应留有足够的间隔，否则，各标距内不同步的应变变化，有可能导致FBG中心波长的重叠，使解调失效。一般来说一个通道内的FBG，其初始波长间隔2 nm以上将能满足测试要求。

本次试验加载采用采用液压式千斤顶加载，分5级加载，第一级荷载12.5 kN，每10 kN为一级，至52.5 kN（80%的极限荷载）。每级加载后，持载1 min，待仪表的读数基本稳定后，记录数据。试验前进行预加载，保证传感器与结构的协同工作后，读取一段平稳时间FBG的初始中心波长数据，取平均值后作为初始值保存。

3.2 监测结果分析

部分传感器的荷载-应变曲线如图4所示。从图中可以看出，在应变较小的梁端区段曲线呈直线，这表明梁的该区段仍然处于弹性工作阶段，未出现损伤。传感器3在第三级荷载下应变出现了突然的增大，表明该区段在该级荷载下可能出现了损伤。对于位于跨中最有可能最先出现裂缝的传感器6所在区段，其应变的突变在第四级荷载下才出现，并没有很好地探测到梁的初损伤。经过分析，这有可能是因为液压千斤顶加载难于控制，荷载步长又过大，在预加载阶段，梁就已经出现了初损伤，而第四级荷载下的应变突变，对应的应该是该区段出现第二次损伤。

图4 荷载-应变曲线

裂缝观测仪得到的梁的裂缝开展情况如图5所示（图中省略了未出现裂缝的单元）。可以看出，FBG传感器探测到了所有裂缝的出现。从试验结果可以看出，相比传统的应变片，长标距的FBG传感器覆盖了更大的空间，拥有更大的传感范围，可以准确地捕捉裂缝的出现。

图5 梁裂缝图

4 结论

混凝土裂缝是桥梁中常见的病害，其早期发现对于保证桥梁安全具有重要意义。传统的传感器往往是点式监测，如果测点少则无法覆盖整个结构，测点过多又耗费巨大的成本。因此本文提出了一种基于光纤的分布式传感技术。

此外，通过实验室内混凝土梁的试验，对该分布式传感技术的裂缝监测方法和可靠性进行了分析，结果表明该传感可以准确地监测到裂缝，因此该方法对于实际桥梁的应用具有重要意义。

［1］丁睿，刘浩吾.分布式光纤传感技术在裂缝检测中的应用［J］.西南交通大学学报，2003（6）：651-654.

［2］唐天国，陈春华，刘浩吾.分布式光纤传感用于大坝基座裂缝监测(英文)［J］.传感技术学报，2007（10）：2357-2360.

［3］毛江鸿.分布式光纤传感技术在结构应变及开裂监测中的应用研究［D］.杭州：浙江大学，2012.

［4］张少杰，陈江，闵兴鑫，等.碳涂覆光纤用于分布式裂缝检测的实验研究［J］.四川大学学报（工程科学版），2010（4）：230-233.

［5］郭宗莲，张宇峰，陈紫妍，等.分布式长标距FBG传感技术在桥梁结构监测中的应用研究［J］.世界桥梁，2015（1）：70-74.

Research on Bridge Fracture Monitoring Technology Based on Distributed Sensing

Liu Fashui
（Fuzhou Highway Bureau, Fuzhou 350211, China）

Concrete crack is a common diseases in the bridge, the serious structural cracking will be a threat to the safety of bridge structure. As a result, the crack detection and monitoring are always the important task of bridge management and maintenance. Traditional strain gauges are monitoring point by point, which is difficult to cover the crack area of bridge. This paper introduces the distributed optical fiber sensing technology, then it is applied in laboratory test on a concrete beam, which verifies the reliability of the proposed monitoring method. Distributive sensing technology for crack monitoring can overcome drawbacks of traditional strain gauges, and it has significant value for engineering practice.

distributed sensing technology; concrete crack; strain sensor; structural safety; condition assessment

U446.2

A

1672-9889（2016）06-0059-03

2016-10-31）

刘发水（1966-），男，福建长乐人，高级工程师，主要从事科技管理、养护工程管理工作。