桥梁安全关系着人们的生命安全和社会经济活动^[1],建成的桥梁结构应具有良好的承载性、耐久性、满足使用寿命。一般重要的大型桥梁结构服役期长达几十年,甚至上百年,在疲劳、腐蚀与材料老化等不利因素的共同作用下,不可避免地产生损伤积累。云南省盆地河谷、山地、丘陵高原相间分布,独特的立体气候类型(气候要素的垂直变化显著),位于亚欧板块与印度板块碰撞带的东缘附近(地震活动频繁和强烈),这些复杂的地形、地貌、地质、水文、气候等条件,决定了云南省的桥梁在使用中出现衬砌开裂、错台、掉块、渗水等病害的几率更高^{[2, 3, 4]},危及行车安全,严重的甚至被迫关闭交通。因此,对桥梁结构监测,及时发现初期病害,及时预警具有重要意义。

本文把光纤Bragg光栅表面式应变传感器应用于桥梁结构健康监测,对云南某桥梁左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测,掌握桥梁二衬的受力与变形情况,分析处理测量数据,预测结构变形趋势,评估桥梁结构的安全水平,为处置提供关键技术参数。

1 光纤Bragg光栅应变传感特性与技术参数 1.1 特性

光纤Bragg光栅原理与光谱光强如图 1所示。当入射光到FBG后,在满足Bragg条件下入射光将发生反射,这样入射光谱λ就分成反射光谱λ1和投射光谱λ2两部分。反射光谱λ1在Bragg波长λB处出现峰值,由耦合模理论可知,其Bragg中心波长为:

图 1

Fig. 1

图 1 BFG传感原理与光谱光强图 Fig. 1 BFG sensing principle and spectral intensity map

式中:neff为导模的有效折射率;Λ为光栅的周期。

一束宽光谱光λ经过光纤Bragg光栅时,被光栅反射回一单色光λB,反射光的中心波长λB与光栅的折射率变化周期和纤芯有效折射率neff有关。若光纤光栅受应变和周围的温度发生变化时,则光栅周期Λ和有效纤芯折射率neff将变化,导致光栅反射波长发生偏移ΔλB,通过监测反射波长λB变化情况,即可获得测点处光纤Bragg光栅的应变及温度的变化。ΔλB与应变和温度变化的关系如下^{[5, 6, 7]}

1.2 技术参数

本文所有的光纤光栅应变传感器的技术参数为:应变量程为-1 500~+1 500 μm,温度范围为-20~50 ℃;测量精度不大于0.5%;分辨率1×10-6;反射率不小于80%,测量用的光纤光栅解调器为武汉理工光科学股份有限公司生产,分辨率为1 pm,工作温度-10~50 ℃,最小可探测光栅反射光功率-20 dB。

2 光纤光栅应变传感器在桥梁工程中的应用 2.1 应用对象分析

自光纤光栅传感器于1990年首次埋入环氧纤维复合材料中以及1992年首次埋入混凝土梁中以来,其在大量的桥梁、水坝、管线、隧道、矿厂、核存储容器、天然气压力罐、建筑物以及道路等基础结构的力学参数测量、状态监测中得到应用^{[8, 9]}。其中,应用光纤光栅传感器最多的领域之一当数桥梁结构的健康监测。

本次监测的桥梁为云南省具有最大的预应力钢筋混凝土拱桥。由于该桥采用新的设计理念、方法和成桥工艺,且跨度大、施工复杂、交通流量大、超载车辆多和环境气候特殊等原因,必然会造成大桥轻微的结构松散和有少量裂隙。施工中,桥梁的左洞右侧拱部即出现宽度为1~3 mm的不规则裂纹,如图 2所示。

图 2

Fig. 2

图 2 二衬裂缝情况图片 Fig. 2 Two lining cracks case of pictures

通过测量和分析桥梁二衬的受力与变形情况,为进一步施工处置提供技术支持;预测结构变形趋势,评估桥梁结构的安全水平,及时发现初期病害,及时预警,保障今后安全畅通。 2.2 传感器布设及传感网络结构

(1)传感器布设

为对桥梁左线K6+130~+302(K6为定标桩号,桩号后的正数是离该桩的距离,单位为米)裂缝区域进行长期监测,设计在K6+120~+310的范围内间隔1 m布设一个监测断面,总计20个监测断面,每个监测断面布设7个光纤光栅表面应变传感器和1个温度补偿传感器,如图 3所示。

图 3

Fig. 3

图 3 光纤光栅传感器布设图 Fig. 3 FBG sensors layout diagram

表 1(Table 1)

表 1 K6+120断面传感器编号表 Tab. 1 K6+120 section sensor number table 序号 传感器类别 编号 对应布设点 1 应变 K6+120_1 拱桥右下 2 应变 K6+120_2 拱桥右 3 应变 K6+120_3 拱腰右 4 应变 K6+120_4 拱顶 5 应变 K6+120_5 拱腰左 6 应变 K6+120_6 拱桥左 7 应变 K6+120_7 拱桥左下 8 温度 K6+120_8

表 1 K6+120断面传感器编号表 Tab. 1 K6+120 section sensor number table

(2)传感网络结构

K6+120~+310的20个监测断面占用解调仪1~20通道,各监测断面的7个光纤光栅表面应变传感器和1个温度补偿传感器串联连接,每通道传感器串接的波长间隔大于3 nm,网络结构示意如图 4所示。

图 4

Fig. 4

图 4 光纤光栅传感网结构图 Fig. 4 FBG sensor network structure

2.3 监测结果及数据分析

历经春夏秋冬,跨越雨、旱两季,在近一年的时间内,进行了二十五次监测测量^{[10, 11]}。光纤光栅应变传感器最大应变变化出现在K6+290的拱墙右下,测量时最高温度为:26.8 ℃,最低温度为:20.4 ℃,剔除温度变化的影响,应变量为-243 μm,该段面其他光纤光栅应变传感器的应变量为:- 100 μm<Δε < 100 μm,如图 5所示。

图 5

Fig. 5

图 5 K6+290断面监测记录曲线 Fig. 5 K6+290 section monitoring records of curve

其余19个断面测量记录曲线与图 5类似,测量记录最大温差6.4 ℃,光纤光栅应变传感器的应变量为:- 200 μm< Δε < 200 μm,反映桥梁的应变变化在正常的变形范围之内。

3 结 论

本文应用光纤Bragg光栅表面式应变传感器,对云南某桥梁左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测分析,以了解桥梁二衬的受力与变形情况,为进一步施工处置提供技术支持;通过量测分析预测结构变形趋势,评估桥梁结构的安全水平,及时发现初期病害,及时预警,保障今后运营安全。历经春夏秋冬,跨越雨、旱两季,在近一年时间内对裂缝存在区域的20个监测断面进行监测,监测结果表明,光纤光栅应变传感器的应变量在正常范围内,反映在监测期,桥梁结构稳定无异常变化。