利用光栅传感器的公路桥梁施工监测

【摘要】土木工程界对监测结构行为和评估其相应的集成越来越感兴趣。采用光纤布拉格光栅（光纤布拉格光栅）传感器，研究了公路桥梁施工过程中水化过程和养护过程的现场特性。此外，桥梁的安全性和使用性能可以通过诸如收缩和徐变之类的材料特性来改变，这些特性与预应力应变和拆除支撑框架时的沉降相关。同时，还对预应力过程和移除支撑框架过程中每个步骤的时间表的响应和有效性进行了检验。显然，光纤布拉格光栅传感器是公路桥梁在建设和使用寿命期间功能集成和响应的智能传感器候选。

【关键词】光栅传感器;桥梁;智能监测;健康评估;混凝土;数据处理;箱梁

1、引言

土木工程界对监测结构行为和评估其相应的集成越来越感兴趣[1]。一般来说，桥梁必须定期检查和评估，以确保安全和功能。目前使用的健康评估和损伤检测方法是视觉检查或局部无损评估（无损评价）技术[2]，如声学、超声学、冲击回波、雷达、红外、磁学、涡流和环境/强迫振动测试。然而，无损评价方法可能非常昂贵和不方便，因为公路桥梁结构在线监测需要现场实施，必须经常进行。因此，我们瞄准了在传感技术方面的进展，即更容易安装、使用和维护的长期监测系统。长期监测可增加对结构实时行为的了解，并协助规划维修干预。挑战在于开发能够在现场进行结构健康在线评估的技术，从建造这些公路桥梁开始[3]。新桥的建造为安装传感器和数据处理提供了独特的机会，这将有助于长期评估其使用状况。众所周知，监测桥梁的行为，特别是在结构的初始施工阶段，是非常重要的。此外，除了桥梁本身的性能外，当移除支撑框架时，结构的安全性也受到关注;施工期间偶尔发生倒塌事故。早期预警系统，例如可靠和稳定的监测系统，提供了在灾难发生之前对桥梁进行补救工作的时间。此外，长期监测可以提供关于恶化的性质和程度的全面信息，以便做出明智的管理决策。没有明显的外部振动的固结对于当今高性能混凝土尤其具有挑战性，高性能混凝土具有低的水胶比材料。自密实混凝土可以压实到模板的每个角落，完全由它自己的重量和不需要振动压实[4]。自密实混凝土的优点有很多：它节省人力和时间，可以缩短施工周期;它具有一致的质量布置;它可以放置在不可接近或高度加固和拥挤的地区，并且它还具有长期耐久性[4]。

本文研究了自密实混凝土的水化过程和固化过程的原位特征，以便更好地了解自密实混凝土的性能和行为。此外，桥梁的安全性和使用性能可以通过诸如收缩和徐变之类的材料特性来改变，这些特性与预应力应变和拆除支撑框架时的沉降相关。在预应力过程和移除支撑框架期间，还检查了进度表在每个步骤的响应和有效性。

2、自密实混凝土水化进展

混凝土结构的凝固硬化过程，尤其是混凝土早期的凝固硬化过程，被认为是混凝土结构使用寿命中最关键的阶段。混凝土水化是一个复杂的物理化学放热过程。水化变形的持续时间从几天到几周不等，这取决于混凝土构件的热性能、添加剂、环境条件、固化和结构元件的几何形状。研究水化变形一般有两种方法：数值模拟和监测。由于问题的复杂性，数值模拟非常复杂。因此，早期监测收集的数据代表了解真实结构行为的独特技术。通常，这是通过无损评价方法进行的，例如利用埋入混凝土中的钢板的超声波反射，以测量施工期间钢-混凝土界面处剪切波的反射损失[5]。反射损失与早期抗压强度呈线性关系。然而，由于技术上的考虑，这种测量不能在夜间进行。由于我们需要连续实时监控，所以没有使用这种方法。

一般来说，建议从浇注混凝土时就开始监测。用这种方法，可以测量整个变形历史。这包括在混凝土仍然硬化时产生的早期变形。此外，由于该桥位于地震区，因此为了避免钢筋与混凝土之间的粘结力受到干扰，在线施工监测非常重要。最初20小时后，混凝土开始收缩。从19小时至23小时连续产生收缩应变。在这段时间里可以看到一个类似噪音的信号。这种收缩是由两种相反的变形综合而成的：水泥水化引起的化学收缩和混凝土温度升高引起的热膨胀。盖板的上部形状在24至25小时左右被移除。综上所述，基于水化硬化过程的结果，光纤布拉格光栅传感器对水化过程的历史响应良好。还可以在线监视上表单的相应删除。一般来说，当在实验室中用标准圆柱体/立方体试样测试混凝土的强度时，它可能无法转化为原位强度的精确测量。然而，原位水化可显著影响原位强度;在此，光纤布拉格光栅传感器提供了用于在线监测以及估计结构中混凝土的早期强度的手段。这些收集到的信息将在未来结合实验室结果进一步分析。最终，这些数据允许估计原位和常规标准立方体或圆柱体强度之间的关系，从而能够进行安全和有效的结构设计。

结论：

研究结果表明，光纤布拉格光栅（光纤布拉格光栅）传感器作为一种健康监测系统，用于记录桥梁施工过程中的水化效应、养护周期、预应力响应以及支撑架的拆除情况，具有优越性。在这座公路大桥的建设过程中，自密实混凝土似乎如预期的那样成功地实施了。从常规电阻应变计收集的数据是不可靠的，而光纤布拉格光栅传感器被清楚地显示为在公路桥梁的建设和使用寿命期间功能集成和响应的智能传感器候选者。

参考文献：

[1]Lynch J P， Sundararajan A， Law K H， Kiremidjian A S andCarryer E 2004 Embedding damage detection algorithms ina wireless sensing unit for operational power efficiencySmart Mater. Struct. 13 800–10.

[2]Tennyson R C， Mufti A A， Rizkalla S and Benmokrane B 2001Structural health monitoring of innovative bridges inCanada with fiber optic sensors Smart Mater. Struct. 10560–73.

[3] Lin Y B， Chern J C， Chang K C， Chan Y W and Wang L A2004 The utilization of fiber Bragg grating sensors tomonitor high performance concrete at elevated temperatureSmart Mater. Struct. 13 784–90

[4] Zhu W， Gibbs J C and Bartos P J M 2001 Uniformity of in situproperties of self-compacting concrete in full-scalestructural elements Cem. Concr. Compos. 2357–64.

[5]張启伟.大型桥梁健康监测概念与监测系统设计[J].同济大学学报：自然科学版，2001，29（1）：65-69.

作者简介：

曾毅，中国江西国际经济技术合作有限公司，江西南昌。