基于光纤传感技术的桥梁拉索健康监测技术试验研究

何武超，李劭晖，江 震，俞建群，朱 骏，马 骉

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司,上海市 200092；2.上海市政工程检测中心有限公司,上海市 201114；3.上海浦江缆索股份有限公司,上海市 200120；4.江苏骏龙光电科技股份有限公司,江苏 泰州 214599）

0 引言

资料显示，许多国内外拉索桥梁，特别是斜拉桥，在运营过程中会由于钢丝锈蚀、断丝等病害而降低拉索承载能力，从而导致拉索未达到设计使用年限而不得不被更换[1]。据不完全统计，20世纪70至90年代初我国修建的30余座斜拉桥中，已经加固修复的桥梁超过65%，其中有超过46%的斜拉桥已全部或部分更换了斜拉索，最近几年仍有数座20世纪90年代后修建的斜拉桥需要换索。解决拉索的健康监测问题已显得日益重要[2]。

目前斜拉桥拉索健康监测，尤其是对拉索内部钢丝健康状况的检测还缺乏有效的检测手段和技术。目前的拉索检测仅限于索力测量，一般采用压力表测定法、压力传感器测定法、频率法、磁通量法等方法，但此类方法无法提供拉索健康状况的数据和信息[3]。

本文通过对FBG光纤光栅传感器和光纤数据传输技术的介绍，提出了将光纤传感技术应用于拉索内部钢丝健康监测，并通过实验室技术验证和实桥应用验证，从拉索制备和实桥应用两个方面验证了本文所阐述技术的可行性和可靠性。

1 基于光纤光栅健康监测技术原理

1.1 斜拉桥拉索结构及索力测量原理

斜拉桥拉索索体是由数十乃至上百根高强度钢丝经过排列扭绞而成，索体外部再辅以高强度绕包带及高密度聚乙烯作为防护。通常使用的钢丝直径有 ø5 mm和 ø7 mm两种，钢丝强度有1 670、1 770、1 860 MPa等。

常见的斜拉桥拉索结构主要有锚具和拉索索体构成，锚具通过冷铸或热铸方法与拉索中的高强度钢丝进行锚固连接。在斜拉桥上使用时拉索的两端锚具分别固定在桥的塔端和梁端，两端与中间部分的拉索共同受力[4]。

当拉索处于工作状态且正常受力时，理论上每根拉索索力会平均分配到索内每根钢丝上。在索力不断变化时，每根钢丝的拉力也不断地被重新平均分配。理论上如果能获得单根钢丝的应变情况就能根据应力-应变关系推算钢丝的拉力及整根拉索的索力，从而准确掌握拉索的实际受力状况及健康状况[5]。

拉索钢丝在弹性范围内由于受力而被拉伸，其伸长量是极其微小的[6]，使用普通传感器无法获取准确数据，这就需要使用高精度的光纤传感器。将光纤传感器粘结固定在钢丝上，可以认为在粘结固定区域范围内，等长度的钢丝与传感器传感部分在轴向应力作用下产生同步变形时，两者具有相同的应变。

1.2 光纤传感器介绍及选择

光纤传感技术是一种以光纤为媒介，以光为载体，感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术，是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而逐步形成的。

光纤传感器与传统传感器相比具有很多明显优势：（1）体积小、质量轻；（2）抗电磁干扰能力强、耐高温、耐腐蚀；（3）属于无源器件，对被测对象影响较小；（4）便于多重使用，便于成网；（5）传输频带宽，动态范围大，测量距离长；（6）可以实现对结构应变、温度以及压力等的多点监测[7]。

目前FBG光纤光栅传感器常被选择用作拉索监测用传感器。

1.3 FBG光纤光栅传感器原理

FBG光纤光栅传感器的光纤沿径向从里向外分为纤芯、包层、涂覆层3部分，通过利用特殊的紫外光照射工艺，对特定部位的光纤纤芯进行紫外照射，使得该区域光纤纤芯的折射率发生周期性变化，从而制成特定中心波长的光纤光栅。

光纤光栅的作用相当于一个有选择性的光谱反射镜，最主要的功能是能将入射光中满足布拉格条件的某一特定波长的光部分或全部反射。光纤光栅的中心波长和应变、温度成线性关系，根据这些特性可将光纤光栅制作成应变、温度、压力、加速度等多种传感器。

1.4 FBG传感器用于拉索监测技术难点

目前光纤光栅传感器用于拉索监测尚有诸多问题需要解决：

（1）传感器的安装方式。由于拉索全密闭的结构及其制锚工艺，无法将传感器合理地安装在拉索上进行监测。

（2）光纤光栅传感器与钢丝粘结工艺。由于拉索钢丝之间内部缝隙狭小，在钢丝缝隙之间注入胶水并粘结传感器是一个难题。

2 FBG传感器植入拉索工艺研究

研究人员经过反复对比，发现一种能够不破坏原拉索结构的传感器植入方式，就是在拉索锚具部位预置一个不锈钢钢管通道，在拉索制作完成后，通过该通道进行传感器的植入。传感器植入拉索结构图见图1。

FBG光纤光栅传感器在工厂内植入拉索的制作工艺和普通斜拉索基本相同，仅在制锚时增加了传感器的预置通道和密封防护措施。拉素预置通道见图2。

图1 FBG光纤光栅传感器植入拉索结构图

图2 拉索预置通道

为解决传感器与不锈钢管的粘结问题，试验人员通过蘸胶法和注胶法进行比选，通过反复试验发现注胶法更为可靠。该方法通过使用自动拌料器、注胶器、定制针头等工具，在预置不锈钢管的特定位置进行注胶。采用注胶法后传感器的粘结质量、可靠性大大提高，而且施工简单方便。

3 FBG传感器与拉索受力相关性试验研究

为了完整掌握拉索应力分布情况，专门制作了1根试验索。试验索规格为 ø7-223,长度为5 m，锚具一端采用植入钢丝法预留通道，另一端采用预置通道法进行制作。试验采用2种类型的FBG光纤光栅传感器，其中T1型传感器长为1.1 m（含1个传感器），T2型传感器长度为1.5 m（含2个传感器）。

T1、T2型传感器布置图见图3、图4。

图3 T1型传感器布置图

图4 T2型传感器布置图

为测试拉索不同位置植入FBG光纤光栅传感器的可靠性，以及确定不同位置拉索受力的分布情况，试验前分别将传感器植入了不同的部位。

传感器植入拉索后，将拉索放在实验室静载试验机上进行拉伸试验，试验时拉索加荷以每次500 kN的力递增至5 000 kN，当到达试验最大值后再以同样的速度卸载，每级荷载持荷30 s，以保证拉索受力的稳定性和试验数据的可靠性。通过反复几次的施力和卸载来测试拉索不同位置的应力情况。

试验结果显示，上述工艺和方法是可行、有效的，传感器和拉索有极强的相关性，且可重复性能良好，拉索不同位置的应力和理论分析时完全一致。

4 FBG传感器实桥应用试验研究

都（昌）九（江）高速鄱阳湖二桥是江西省第二大跨径斜拉桥，主桥主跨420 m，斜拉索采用空间扇形双索面形式，共36对144根拉索，其中选取B8和Z9索号拉索安装光纤光栅传感器进行监测试验。鄱阳湖二桥施工监测中使用FBG光纤光栅传感器及相关设备。

传感器安装完成图见图5，光纤光栅数据采集见图6。

图5 传感器安装完成图

图6 光纤光栅数据采集

4.1 试验用传感器

鄱阳湖二桥试验采用的FBG光纤光栅传感器外形全长为900 mm和850 mm，位于直径不大于1 mm的柔性钢丝套内。传输光纤长度为50 m，连接端为FC/APC接口。传感器量程±4 000 μm/m，分辨率0.5 μm/m，光栅栅区长度为15 mm。

4.2 拉索张拉国产FBG光纤检测试验

不同于实验室试验可以对钢丝进行多次加载和卸载，实桥试验中根据现场测试点随机进行监测，并与频率法的试验结果进行数据对比。

在试验中由于无法获得全程锚索计数据，故将频率法索力作为参照基准。由表1可知，光纤测得的相对索力能够与频率法测得数据基本一致。

表1 鄱阳湖二桥B8索测试数据

5 结语

本文通过一系列试验，总结了一整套行之有效的FBG光纤光栅传感器植入拉索技术和制造工艺，分别以实验室验证和实桥验证的方式证明国产光纤传感、检测技术用于拉索健康监测是可行、有效的，并完全可以达到实际应用水平。

结合本文介绍的光纤传感技术，辅以整套监测数据处理系统，可以通过无线传输的方式对斜拉桥拉索进行全天候24 h的健康监测。基于这些优势，以FBG光纤光栅传感器为基础的光纤检测技术在斜拉桥拉索健康监测方面的应用将有良好的前景。