基于FBG傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測體系及其應(yīng)用

(構(gòu)造計劃研究所， 日本 東京 164-0011)

通過實測數(shù)據(jù)來評價現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的性能，大致可分為2種情形，如圖1所示，一是利用實測值直接進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能判斷，二是對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理之后再作判斷。

利用實測值直接進(jìn)行判斷的情形一般僅局限于局部應(yīng)力集中和局部損傷程度的判別等個別專門問題，而對于結(jié)構(gòu)整體承載能力變化以及局部損傷對于結(jié)構(gòu)整體性能的影響等關(guān)乎結(jié)構(gòu)健全性判斷的根本性的重大問題，一般要對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析之后才能判定。所以利用數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)來進(jìn)行結(jié)構(gòu)健全性評價已經(jīng)逐漸成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的主流。特別是近年來，由于大量建筑物安裝了各種監(jiān)測系統(tǒng)而獲得并儲存了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些累積數(shù)據(jù)沒有被有效利用的問題逐漸顯現(xiàn)出來。有些數(shù)據(jù)甚至因為占據(jù)存儲空間而沒有被進(jìn)行任何分析利用就已刪除了，造成巨大浪費，所以工程界對監(jiān)測數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)的開發(fā)充滿了期待。

圖1 基于實測的結(jié)構(gòu)健全性評價

本文將介紹結(jié)合使用實測數(shù)據(jù)分析技術(shù)和結(jié)構(gòu)分析技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健全性評價的基本方法與分布測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件SforD。本文構(gòu)筑一個基于光纖傳感器的分布測試系統(tǒng)并介紹其在各種鋼筋混凝土橋梁的實際應(yīng)用，給出利用結(jié)構(gòu)有限元分析來決定測試方案、采取現(xiàn)場實測和結(jié)構(gòu)分析并用的方式來評價現(xiàn)有結(jié)構(gòu)健全性的方法。

1 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的結(jié)構(gòu)評價

如圖2和圖3所示，過去結(jié)構(gòu)檢測監(jiān)測主要利用電子傳感器，如電阻應(yīng)變片和加速度傳感器等，這些主要是用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)局部微觀特性的實測或者結(jié)構(gòu)整體宏觀特性的實測。

其實，利用結(jié)構(gòu)局部點的應(yīng)變測試來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的損傷識別猶如大海撈針，因其功效極差而發(fā)展受到限制；另外，因為結(jié)構(gòu)損傷所引起的結(jié)構(gòu)整體動態(tài)特性的變化與測試噪音以及各種環(huán)境影響所引起的結(jié)構(gòu)整體動態(tài)特性的變化幾乎是同一量級，所以利用加速度傳感器等宏觀測試技術(shù)來進(jìn)行損傷識別也是非常困難的。例如2008年奧地利研究者將高速公路S101號的高架橋拆除后進(jìn)行了測試研究，利用加速度傳感器進(jìn)行的頻譜分析的結(jié)果顯示，即使將該橋主梁的主鋼筋切斷18%，固有周期的變化也只有4%。利用加速度傳感器之類的結(jié)構(gòu)宏觀響應(yīng)測試儀器沒有能夠識別出主梁的損傷[1-2]。

圖2 局部監(jiān)測

圖3 整體監(jiān)測

近年來，伴隨著光纖傳感技術(shù)的飛躍發(fā)展，充分利用光纖的特長，進(jìn)行區(qū)域分布式傳感檢測監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)取得了很大進(jìn)展。利用不依存于載荷變動影響的應(yīng)變模態(tài)比作為結(jié)構(gòu)損傷識別的指標(biāo)，橋梁的裂縫、剛度減低、支座劣化等問題的發(fā)生和進(jìn)展，包括發(fā)生的時間和位置都可以被檢測出來。

利用光纖傳感器構(gòu)筑的區(qū)域分布式監(jiān)測系統(tǒng)，通過靈活運用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷識別、結(jié)構(gòu)健全性評價、結(jié)構(gòu)性能評價、結(jié)構(gòu)異常感知、結(jié)構(gòu)疲勞壽命評價等，可以解決目前工程界極為關(guān)注的許多熱點問題。

如圖4所示，利用光纖傳感器對結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)域分布設(shè)置，光纖傳感器的覆蓋領(lǐng)域全面，解決了電阻應(yīng)變片取得的信息太微觀而加速度傳感器取得的信息太宏觀的問題。這就好比給結(jié)構(gòu)裝上了神經(jīng)系統(tǒng)，也就是給橋梁等結(jié)構(gòu)物賦予了生命感知系統(tǒng)，橋梁等結(jié)構(gòu)工程師即可像醫(yī)師一樣給老舊破損結(jié)構(gòu)做診斷和醫(yī)治，從而實現(xiàn)智能橋梁智能結(jié)構(gòu)以及智慧城市的建設(shè)。

圖4 利用光纖傳感器的區(qū)域分布監(jiān)測

光纖傳感器的優(yōu)良特性，使之既可取得結(jié)構(gòu)的微觀信息也可取得結(jié)構(gòu)的宏觀信息，在此之上還可以取得兩者之間的結(jié)構(gòu)性能信息；因此，光纖傳感器既囊括了應(yīng)變片和加速度傳感器的優(yōu)勢，又填補(bǔ)了兩者的空白，在結(jié)構(gòu)健康檢測監(jiān)測中正發(fā)揮巨大作用。

在橋梁上設(shè)置高精度的區(qū)域分布的光纖傳感器，對實測的高精度靜態(tài)和動態(tài)應(yīng)變分布進(jìn)行分析可以得到結(jié)構(gòu)的撓度、扭轉(zhuǎn)、開裂、腐蝕、支座變動等大量信息，進(jìn)而可以通過監(jiān)測─分析─評價系統(tǒng)的開發(fā)來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體性能評價及健全度的評價。

區(qū)域分布監(jiān)測系統(tǒng)使用光纖傳感器測得靜態(tài)或動態(tài)應(yīng)變，特別是動態(tài)的區(qū)域應(yīng)變，包含了結(jié)構(gòu)整體特性和區(qū)域特性的基本信息，可以識別橋梁的整體狀況和局部損傷，對結(jié)構(gòu)整體性能的評價也非常高效。

運用光纖傳感器的區(qū)域分布測試有以下特點：

1)用一根光纖將傳感器串聯(lián)即可實現(xiàn)對橋梁整體的實測。

2)可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的尺寸調(diào)整傳感器的標(biāo)距長度，測得應(yīng)變的分布形態(tài)。

3)不僅可進(jìn)行靜態(tài)測試，還可以進(jìn)行高精度高頻度的動態(tài)測試。

4)利用區(qū)域光線傳感器測得的應(yīng)變也可得到結(jié)構(gòu)整體的振動特性。既可以囊括以往的應(yīng)變片的測試和加速度傳感器的測試，還可以得到結(jié)構(gòu)的分布特性。

5)將區(qū)域分布測試系統(tǒng)化可以對橋梁性能進(jìn)行迅速評價。

區(qū)域分布光纖傳感器具有能夠覆蓋既往的電子應(yīng)變片和加速度傳感器性能的多功能性特性是區(qū)域分布測試系統(tǒng)的最大特長和優(yōu)勢。

圖5給出了利用區(qū)域分布光纖測試系統(tǒng)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)性能評價的示意圖。

圖5 利用區(qū)域分布光纖傳感系統(tǒng)的評價結(jié)構(gòu)

將區(qū)域分布光纖傳感器系統(tǒng)化并布設(shè)到橋梁結(jié)構(gòu)的主梁或斜張橋的鋼纜上，測得的波長變化可換算成應(yīng)變而得到分布系統(tǒng)中各個位置的宏觀應(yīng)變(測試標(biāo)距內(nèi)的平均應(yīng)變)的時間歷程。通過對實測的應(yīng)變時間歷程結(jié)果進(jìn)行分析處理，可以得到各個時刻的橋梁的應(yīng)變分布情況。

通過對實測的各個區(qū)域分布應(yīng)變的時間歷程進(jìn)行解析，可以得到橋梁的振動特性、各個時刻的應(yīng)變分布和各個時刻的撓度分布、最大應(yīng)變的時間歷程、最大撓度的時間歷程、荷載分布以及時間歷程、測試區(qū)域的損傷識別等等。

對一個監(jiān)測系統(tǒng)來說，所必需的分析技術(shù)可分為兩類，一是對實測數(shù)據(jù)的分析技術(shù)，二是結(jié)構(gòu)分析技術(shù)。區(qū)域分布光纖傳感系統(tǒng)就是在靈活運用這兩個分析技術(shù)的基礎(chǔ)上建立起來的。

1.1 結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的應(yīng)用

1)實測之前的結(jié)構(gòu)分析，用于在初步掌握結(jié)構(gòu)的特性的基礎(chǔ)上決定各個傳感器的最佳布置地點，確定傳感器的測試范圍等[3]。

2)實測之中將結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行定性比較，證實和確認(rèn)實測數(shù)據(jù)的可靠性。利用實測數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)計算模型進(jìn)行同定，則可改善和提高計算模型的精度[4-8]。

3)測試之后利用結(jié)構(gòu)分析模型，可對實測所無法囊括在其范圍之內(nèi)的結(jié)構(gòu)部分做相應(yīng)的分析和評價[4-8]。

以上3點對于各種新型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)和驗證十分重要。

關(guān)于傳感器最佳配置的決定，可以對測試對象進(jìn)行有限元建模分析，根據(jù)設(shè)定的外載荷所求得響應(yīng)的最大值和最小值來確定傳感器的最佳標(biāo)距范圍，根據(jù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果中應(yīng)力或變形集中的位置來決定傳感器的最佳位置的配置。

根據(jù)初期的實測結(jié)果對結(jié)構(gòu)分析模型進(jìn)行調(diào)整和完善，使結(jié)構(gòu)模型能夠真正反映結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，提高結(jié)構(gòu)分析的精度。

比較結(jié)構(gòu)分析結(jié)果和實測結(jié)果，可以驗證實測的精度，可以更加全面地對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的性能評價，還可以對結(jié)構(gòu)的性能走向進(jìn)行預(yù)測，達(dá)到防患于未然的目的。所以說，結(jié)構(gòu)分析技術(shù)是各種新型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)和驗證時不可或缺的工具。

1.2 數(shù)據(jù)分析技術(shù)的應(yīng)用

1)通過波長變化換算應(yīng)變，得到各個測試區(qū)域內(nèi)的宏觀應(yīng)變(傳感器標(biāo)距內(nèi)的平均應(yīng)變)的時間歷程，由此可以求得各個時刻的應(yīng)變分布[4-6]。

2)對測到的時間歷程數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，可以求得橋梁的振動特性、固有周期和固有振動模態(tài)等[4,6]。

3)根據(jù)求得的任意時刻的應(yīng)變分布可以算出對應(yīng)時刻的橋梁撓度分布[4,6]。

4)根據(jù)撓度分布以及應(yīng)變分布可以推算出作用在橋梁上的交通荷載[9-10]。

5)利用對于輕微損傷也產(chǎn)生敏感變化的宏觀應(yīng)變模態(tài)比向量MMSV(modal macro-strain vector)作為判定指標(biāo)，可隨時對結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識別和監(jiān)測[11-12]。

2 基于分布式FBG傳感器的橋梁評價

得益于當(dāng)前光學(xué)傳感技術(shù)的發(fā)展，光纖光柵傳感器現(xiàn)在已經(jīng)成為具有良好的測量精度和穩(wěn)定性而且物美價廉的測試儀器。一些學(xué)者多年來一直致力于分布式長標(biāo)距光纖光柵傳感器(FBG光纖傳感器)系統(tǒng)領(lǐng)域的實驗和理論研究并取得了階段性成果[3-11]。

在之前研究的基礎(chǔ)上，一些學(xué)者對鋼橋、鋼筋混凝土橋梁、鐵路橋梁和預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁以及風(fēng)車、鐵塔、太陽能發(fā)電設(shè)施的支架等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量現(xiàn)場試驗[3-11]。現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，F(xiàn)BG傳感系統(tǒng)的結(jié)果與理論分析結(jié)果吻合良好。相比于當(dāng)前技術(shù)人員基于感知和經(jīng)驗的判斷方法，傳感系統(tǒng)提供了一種多功能的智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法。這里介紹該監(jiān)測系統(tǒng)的基本理論和基本方法以及其在鋼筋混凝土橋梁、鐵路橋梁和預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁上的應(yīng)用[7-8]。

2.1 分布式傳感系統(tǒng)概述

長標(biāo)距光纖光柵傳感器，通過特殊的包裝和加工方法，擁有從幾厘米到幾米的有效傳感測量范圍。如圖6所示，這是一種由作者等針對材質(zhì)不均勻而且局部容易產(chǎn)生裂紋等損傷的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而開發(fā)的有效測試儀器。簡而言之，如圖7所示，它是一種以串聯(lián)形式連接的一組長標(biāo)距光纖光柵傳感器作為基本要素的分布式結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感技術(shù)，近年來一直被應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域。

圖6 一種封裝式長標(biāo)距光柵傳感器

圖7 分布式長標(biāo)距光纖光柵傳感系統(tǒng)

借助于分布式長標(biāo)距光纖光柵傳感系統(tǒng)，利用在發(fā)生損傷時敏感變化的宏觀應(yīng)變模態(tài)比向量MMSV(modal macro-strain vector)作為損傷判定指標(biāo)，可以獲得以下信息：1)橋梁應(yīng)變分布情況；2)橋梁的撓度分布；3)通過連續(xù)的應(yīng)變時間歷程數(shù)據(jù)得到的橋梁振動特征信息(如：頻率和振型)；4)由應(yīng)變信息推算的荷載分布以及時間歷程；5)橋梁損傷監(jiān)測。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)的基本原理

通過使用上文介紹的分布式傳感系統(tǒng)，可以得到沿待測結(jié)構(gòu)的某個方向的應(yīng)變時間序列。為了能清楚地表述該傳感系統(tǒng)在實際工程中進(jìn)行監(jiān)測的基本原理，下面將通過一個傳感系統(tǒng)在橋梁中應(yīng)用的典型例子加以說明。

圖8為一組裝在橋梁主梁的分布系統(tǒng)的測試結(jié)果，通過該區(qū)域分布式測試系統(tǒng)，首先可以測得橋主軸方向各個傳感器的應(yīng)變的時程響應(yīng)。利用圖9(a)所示的同期的某個時刻的應(yīng)變響應(yīng)值排列即可得到如圖9(b)所示的該時刻的區(qū)域應(yīng)變的分布，根據(jù)應(yīng)變分布可以積分求得該時刻該區(qū)域的撓度分布(如圖9(c)所示)，進(jìn)而還可以利用實測應(yīng)變進(jìn)行圖9(d)所示的荷載識別[9-10]。

圖8 實測應(yīng)變時間序列

圖9 獲得應(yīng)變和撓度的分布及推算載荷

橋梁的交通荷載識別不僅可以用于橋梁超重車輛通行的監(jiān)管，還可以得到橋梁的實時交通密度(如圖10所示)。根據(jù)一定時期的實時監(jiān)測的交通荷載密度可以對橋梁的疲勞壽命進(jìn)行評估。

另一方面，通過對測量應(yīng)變的時間序列結(jié)果進(jìn)行頻域分析，可以得到橋梁的固有頻率以及宏觀應(yīng)變模態(tài)，如圖11所示。近年的研究成果顯示，宏觀應(yīng)變模態(tài)和目前廣泛應(yīng)用的位移模態(tài)具有同等力學(xué)特性[11]，而且對于局部損傷，宏觀應(yīng)變模態(tài)比位移模態(tài)具有更加強(qiáng)烈的敏感性，非常適合用于損傷識別[12]?；陟o態(tài)應(yīng)變分布的損傷識別如圖12所示。

圖10 交通荷載統(tǒng)計

圖11 固有頻率及其宏觀應(yīng)變模態(tài)

下面介紹利用宏觀應(yīng)變模態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識別的理論方法和利用簡易試驗進(jìn)行驗證的方法。

利用實測得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布，根據(jù)力學(xué)基本原理可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)的損傷識別。圖12給出了基于靜態(tài)應(yīng)變分布的損傷識別的方法，對于梁結(jié)構(gòu)，對于某個位置上的荷載，無論荷載大小如何變化，梁軸向各個位置的應(yīng)變比是不隨載荷大小變化的，當(dāng)局部產(chǎn)生損傷時，這個位置的應(yīng)變比值就會產(chǎn)生突變。利用這個分布應(yīng)變的特性可以識別梁的損傷并確定損傷位置。但是如果將此方法應(yīng)用到橋梁上，因為交通荷載是時刻變化的，這樣的方法就不具有現(xiàn)實可行性。為了克服用靜態(tài)應(yīng)變分布進(jìn)行損傷識別的方法的弊端，我們發(fā)展了動態(tài)識別方法：利用應(yīng)變模態(tài)的比值來識別橋梁損傷。因為橋梁的振動模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有特性，是不依存載荷的大小和位置的變化而變化的。宏觀應(yīng)變模態(tài)如圖13所示。

圖12 基于靜態(tài)應(yīng)變分布的損傷識別

圖13 宏觀應(yīng)變模態(tài)

如前面所述，宏觀應(yīng)變模態(tài)與位移模態(tài)具有相同特性[11]，方程(1)描述了宏觀應(yīng)變模態(tài)與位移模態(tài)之間的關(guān)系。

(1)

φlr是在第p個自由度的第r階模態(tài)。下標(biāo)r表示第r階模態(tài)。

(2)

式中，hm是第m個光纖光柵傳感器位置與中性軸的距離。

所有長標(biāo)距光纖光柵傳感器測得的宏觀應(yīng)變的頻域函數(shù)值的比值構(gòu)成一個向量，如式(3)所示，稱之為宏觀應(yīng)變模態(tài)比向量MMSV。

MMSV={δ1r,δ2r,…,δmr,…}T

(3)

宏觀應(yīng)變模態(tài)比向量MMSV的物理含義等同于圖12所示的應(yīng)變比，其既具有應(yīng)變比的物理特性，又不隨著荷載的變化而變化，對于局部損傷十分敏感，可作為判定指標(biāo)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識別和監(jiān)測。

綜上所述，基于分布傳感系統(tǒng)的損傷識別可以按如下步驟進(jìn)行。

1)將長標(biāo)距光纖光柵傳感器分布配置到橋梁或其他彎曲結(jié)構(gòu)。

2)實測獲得宏觀應(yīng)變的時程結(jié)果。

3)計算各個傳感器宏觀應(yīng)變的頻域函數(shù)。

4)算出宏觀應(yīng)變模態(tài)比向量MMSV。

5)分析宏觀應(yīng)變模態(tài)比向量MMSV的變化，進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康診斷。

為了進(jìn)一步證實和說明該結(jié)構(gòu)診斷方法的有效性，下面介紹一個簡便易行的驗證實驗。

如圖14所示，準(zhǔn)備兩根金屬試件，一根完好無損，一根試件的中央位置刻制一小傷痕(4 mm的缺口)，倆試件的底面都安裝5個長標(biāo)距光纖光柵傳感器。

圖14 損傷識別方法的驗證實驗的試件

兩根完全一樣的鋁制金屬棒長度1 m，兩端用夾具簡單固定，斷面尺寸如圖15所示，8 mm高,25 mm寬。圖16是試驗裝置，用手動方式給一干擾，讓試件產(chǎn)生自由振動，按上述步驟測得各傳感器的宏觀應(yīng)變的時刻歷程，然后計算宏觀應(yīng)變模態(tài)比向量MMSV。

兩根試件各做8次振動試驗，圖17給出了實驗結(jié)果，圖17中1到8是完好試件的結(jié)果，9到16是有微損傷試件的結(jié)果。很明顯3號傳感器的宏觀應(yīng)變模態(tài)比向量發(fā)生了很大變化，因為有缺陷試件的缺陷位置在3號傳感器附近，離缺陷位置比較近的2號和4號傳感器也感知了損傷，利用宏觀應(yīng)變模態(tài)比向量MMSV進(jìn)行損傷識別的方法的有效性以此簡單實驗即可得到確認(rèn)和驗證。

圖15 試件的斷面

圖16 損傷識別方法的簡易驗證實驗

圖17 損傷探測的結(jié)果

從上述簡易實驗的結(jié)果可以得知，在此粗糙的試驗環(huán)境和不嚴(yán)格的試驗條件下，同一試件的多次重復(fù)試驗的重復(fù)性驗證表明，宏觀應(yīng)變模態(tài)比向量MMSV的實測誤差大致為5%。另外，計算宏觀應(yīng)變模態(tài)比向量MMSV所采用的實測結(jié)構(gòu)自振周期有10%的誤差的條件下，進(jìn)行損傷識別時的精度也不受影響。這兩個優(yōu)良性質(zhì)非常重要，因為橋梁的野外環(huán)境就是比較粗糙而且噪音比較多的，實際測得的結(jié)構(gòu)自振周期也往往會有誤差，該方法的以上兩大針對粗糙環(huán)境的堅韌性質(zhì)保障了在復(fù)雜的野外工程現(xiàn)場也能夠高精度高效率地識別損傷。

由此可見宏觀應(yīng)變模態(tài)比向量可作為損傷探測的識別指標(biāo)。其主要原理是，如果結(jié)構(gòu)沒有損傷，宏觀應(yīng)變模態(tài)比向量會保持恒定的結(jié)構(gòu)振型比，否則，即使出現(xiàn)輕微的結(jié)構(gòu)損傷其數(shù)值也會發(fā)生突變。用此方法還可相應(yīng)地確定損傷位置?；陂L標(biāo)距光纖光柵傳感系統(tǒng)的宏觀應(yīng)變模態(tài)比向量作為指標(biāo)的結(jié)構(gòu)損傷探測方法，對于不均勻材質(zhì)的結(jié)構(gòu)特別是混凝土結(jié)構(gòu)的損傷識別最為有效。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析用軟件SforD

利用區(qū)域分布型傳感系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的監(jiān)測和檢測時，需要對測得的大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，為此開發(fā)了監(jiān)測數(shù)據(jù)分析軟件SforD(簡稱S4D)。

圖18介紹了該軟件的1個S和4個D的數(shù)據(jù)處理功能。

圖18 區(qū)域分布監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件SforD

通過實測直接得到的數(shù)據(jù)可以計算任何一個時刻的應(yīng)變分布(Strain)，對應(yīng)變分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行積分處理可以算出結(jié)構(gòu)的位移分布以及各個測試位置的位移尤其是最大位移的時間歷程(Displacements)，對時程數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析可以得到結(jié)構(gòu)的固有周期和振型等振動特性(Dynamic behavior)，通過位移和應(yīng)變分布可以反算結(jié)構(gòu)的荷載分布和載荷的時間歷程(LoaD)，另外可以根據(jù)上述方法通過計算結(jié)構(gòu)的損傷識別指標(biāo)宏觀應(yīng)變模態(tài)比向量MMSV來進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識別(Damage)。以上是狹義的S4D。

利用數(shù)據(jù)處理軟件SforD，可根據(jù)實測數(shù)據(jù)(Sensing)的結(jié)果，通過數(shù)據(jù)處理技術(shù)(Data processing)，進(jìn)行分布預(yù)測(Distribution prediction)、異常識別(Detection)和結(jié)構(gòu)健康診斷(Diagnose)，這是廣義的S4D。

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，可以精確掌握橋梁的應(yīng)變和撓度的分布和時間歷程，掌握橋梁的振動特性和交通荷載的分布和時間歷程，并掌握橋梁的損傷情況。更重要的是可以監(jiān)視這些狀態(tài)參數(shù)的長年變化。監(jiān)視在同等荷載的作用下，這些狀態(tài)參數(shù)的絕對值是否有所增加，過大荷載經(jīng)過后這些狀態(tài)參數(shù)是否有不可恢復(fù)的殘余量發(fā)生，橋梁整體是否有扭轉(zhuǎn)變形，損傷是否有所進(jìn)展等等?？梢跃C合這些參數(shù)的變化對橋梁的健全度做出準(zhǔn)確的定量評價。根據(jù)分析結(jié)果設(shè)定最大撓度和最大荷載的限定值，超過限定值的時刻向橋梁管理者送郵件或短信發(fā)出警告，實現(xiàn)真正意義的橋梁健康監(jiān)測管理。另外，監(jiān)測到的荷載情況以及交通量的數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析可以用來作為橋梁疲勞壽命推算的載荷給出評價結(jié)果，達(dá)到進(jìn)行現(xiàn)狀診斷和未來預(yù)測的管理目標(biāo)。

4 利用實測數(shù)據(jù)評價橋梁性能案例

利用以上分布式區(qū)域傳感系統(tǒng)，在日本各地對鋼筋混凝土公路橋、高鐵鋼筋混凝土框架橋、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土公路橋和高速公路的鋼橋等進(jìn)行了長期監(jiān)測，這里介紹混凝土橋梁監(jiān)測的幾個案例。

4.1 利用實測數(shù)據(jù)評價川根大橋的性能

川根大橋是一座建于1963年10月的鋼筋混凝土橋梁，橫亙于日本茨城的沼澤河，每跨長度約22 m，共6跨，全長130 m。

此橋梁雖然已經(jīng)使用了50多年，除了有些部位產(chǎn)生了石灰的游離等輕微外傷痕外，沒有對結(jié)構(gòu)性能有影響的損傷發(fā)生。裝配了分布式長標(biāo)距光纖光柵傳感系統(tǒng)之后，系統(tǒng)開始日常監(jiān)測車輛行駛以及環(huán)境振動而產(chǎn)生的應(yīng)變分布。利用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件SforD進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)計算和橋梁評價，并將監(jiān)測評價與有限元結(jié)構(gòu)分析評價結(jié)合起來構(gòu)筑了一個簡便迅速的結(jié)構(gòu)健康評價系統(tǒng)。迄今為止十幾年的持續(xù)日常檢測評價不僅驗證了監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，也實際驗證了新型長標(biāo)距光纖光柵傳感器的耐久性。

為驗證分布式區(qū)域光纖光柵傳感系統(tǒng)在鋼筋混凝土橋梁上應(yīng)用的可行性，并研究利用測量車輛行駛數(shù)據(jù)監(jiān)測橋梁健康狀況的新方法，在本次現(xiàn)場監(jiān)測試驗初期，采用了一輛公共汽車作為荷載，如圖19所示。公共汽車重100 kN。具體而言，前輪和后輪分得的重量分別為30 kN和70 kN。當(dāng)公共汽車停留在橋上的固定位置時，它被視為靜荷載。當(dāng)它在橋上行駛時，則被視為一個動態(tài)負(fù)載。當(dāng)公共汽車分別以10、30、40 km/h的速度通過大橋時對橋梁進(jìn)行實測。

圖19 川根大橋監(jiān)測試驗，公共汽車荷載

圖20 有限元模型以及傳感器和荷載位置

圖21 公共汽車靜止情況下的實測與分析對比

在橋梁的主梁底部安裝分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)，并在公共汽車的車底主軸上安裝了加速度傳感器。作為基礎(chǔ)理論方法的驗證研究實例，對橋梁進(jìn)行了有限元分析。圖20顯示了傳感系統(tǒng)的裝載位置(圖中紅線)、有限元模型、結(jié)構(gòu)分析結(jié)果以及靜態(tài)測試時的荷載位置。

在公共汽車停靠在橋梁中心位置的情況下，監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果如圖21所示。從圖21可見監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)變分布與有限元數(shù)值分析結(jié)果吻合良好。

當(dāng)公共汽車作為動荷載分別以10、30和40 km/h的速度通過橋梁時，監(jiān)測數(shù)據(jù)與分析結(jié)果如圖22所示。通過對比得知，在所有的測試情況下，靜態(tài)有限元分析得到的應(yīng)變與光纖光柵傳感器的測量結(jié)果吻合較好。這表明，動態(tài)荷載的移動速度在40 km/h以下時，靜態(tài)有限元分析可以對動態(tài)情況提供合理的模擬結(jié)果。

圖22 公共汽車行駛情況下的實測與分析對比

川根大橋的測試結(jié)果表明，對于無損傷橋梁，速度低于40 km/h的動荷載可以采用靜態(tài)有限元建模分析來進(jìn)行數(shù)值模擬，該實測首次驗證了分布式長測光纖光柵傳感系統(tǒng)在舊橋監(jiān)測中具有良好的精度。

另外，利用公共汽車上的加速度傳感器可以得到橋梁變化的信息，此項技術(shù)已經(jīng)在日本獲得專利。這項研究成果與分布監(jiān)測系統(tǒng)可以互為補(bǔ)充，公共汽車監(jiān)測可以判斷橋梁是否異常，分布傳感系統(tǒng)的監(jiān)測可以判斷橋梁有多大異常，異常位置在哪里。細(xì)節(jié)不在此一一贅述。

4.2 利用實測數(shù)據(jù)評價鐵路橋的性能

為了監(jiān)測高鐵橋梁，進(jìn)行了基于光纖光柵傳感器的現(xiàn)場試驗和有限元建模分析[5]。首先，基于數(shù)值分析結(jié)果，選擇性能合適的光纖光柵傳感器和加速度計安裝在高鐵橋梁中。從數(shù)值分析得知，為了準(zhǔn)確測得實驗數(shù)據(jù)，加速度傳感器的頻率應(yīng)在0.5～50 Hz，測量范圍應(yīng)在-1000 ～+1000 gal。隨后，根據(jù)橋梁初期實測數(shù)據(jù)對有限元模型進(jìn)行改善，這樣有限元模型就進(jìn)化成為反映橋梁現(xiàn)狀的真實模型，進(jìn)而可以囊括監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋不到的區(qū)域的結(jié)構(gòu)評價。在監(jiān)測期間，發(fā)生了2次5級以上的地震，通過對傳感器系統(tǒng)測量的結(jié)果和分析得到的加速度數(shù)據(jù)和撓度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)合現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)，對橋梁整體健康狀況進(jìn)行了有限元分析。

有限元模型如圖23所示。圖24顯示了在橋中點測得的觀測地震波及其加速度響應(yīng)。

圖23 鐵路橋的有限元模型

圖24 地震波觀測及其加速度響應(yīng)

在2012年8月30日，發(fā)生了一次5.6級的地震，傳感器記錄了加速度幅值和頻譜。對此數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元分析，結(jié)果分別記錄在圖25和圖26中。圖26展示了光纖光柵傳感系統(tǒng)和有限元分析得到的撓度結(jié)果比較情況。這些數(shù)值結(jié)果表明，分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)的測量結(jié)果與有限元分析結(jié)果吻合得很好，進(jìn)而證實了光纖光柵傳感器能夠有效地評估橋梁在包括地震和列車行駛振動等各種動荷載作用下的性能。

在地震多發(fā)的日本，鐵路橋特別是高鐵橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測最大的研究課題是每次中型以上的地震發(fā)生后，需要在第一時間立即判斷哪一個路段是最危險路段，然后馬上去巡查，要求監(jiān)測系統(tǒng)給出有效幫助，以便在最短的時間內(nèi)恢復(fù)高鐵正常運行?？梢詫⒎植际絽^(qū)域光纖光柵傳感系統(tǒng)進(jìn)行改裝和簡化，以便在震后應(yīng)急對策方面給予高效的支援輔助。這些成果還在開發(fā)和運用之中，不在此贅述。

圖25 光纖光柵傳感系統(tǒng)與加速度傳感器的結(jié)果比較和加速度幅值及其頻譜分析結(jié)果

圖26 光纖光柵傳感系統(tǒng)實測撓度與有限元分析結(jié)果對比

4.3 利用實測數(shù)據(jù)評價妙高大橋的性能

座落在日本新瀉縣國家一級公路18號線上的妙高大橋現(xiàn)在是日本研究重度損傷橋梁的樣本橋。該橋建于1972年，是一座橋長300 m的預(yù)應(yīng)力混凝土4跨連續(xù)梁橋，如圖27所示。2009年定期巡檢時，發(fā)現(xiàn)積雪融化之時該橋滲出的水流有銹色，即而對預(yù)應(yīng)力鋼索進(jìn)行詳細(xì)抽查，扒開混凝土保護(hù)層發(fā)現(xiàn)鋼索破斷嚴(yán)重。這是由于施工時鋼索孔內(nèi)沒有進(jìn)行混凝土灌漿而引起的冬天積雪融化時雪水進(jìn)入鋼索孔洞浸泡腐蝕造成的斷裂。圖28顯示一些鋼索破壞樣式和斷裂位置。由于該橋橫跨山澗，重新建造橋梁的工程從開始設(shè)計到完成大約需要10年時間，因為是貫通新瀉長野兩地的重要國家公路，交通繁忙；因此決定一邊追加外鋼索防止橋梁突然塌落，一邊安裝監(jiān)測系統(tǒng)，每天對橋梁健康狀態(tài)進(jìn)行評價，以判斷是否限制車輛載荷或者限制通行。

鑒于分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)的有效性已得到驗證，這一系統(tǒng)被應(yīng)用在了妙高大橋上，對橋梁實施24 h不間斷監(jiān)測。在安裝外鋼索前后也進(jìn)行了實測，另外每年冬天進(jìn)行一次6輛重型卡車共120 t的靜載測試和20 t卡車60 km/h的動態(tài)通行測試，以此評定橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況，決定是否繼續(xù)使用。

此項監(jiān)測項目的兩個主要目的如下：1)評估橋梁的承載能力，從而管控交通荷載；2)觀察惡化發(fā)展情況以確認(rèn)橋梁是否可以被繼續(xù)使用。因此，在發(fā)生最嚴(yán)重?fù)p傷的第一跨和第四跨布置傳感器，分別如圖29和圖30所示。

圖27 妙高大橋

圖28 橋梁預(yù)應(yīng)力鋼索破壞分布示意圖

圖29 橋體第一跨傳感器位置分布

圖30 橋體第四跨傳感器位置分布

分別對跨中120 t的靜載荷情況和一臺20 t卡車以60 km/h的速度通過時的動荷載情況進(jìn)行現(xiàn)場試驗。

圖31和圖32分別顯示了橋梁第一跨、第四跨在靜荷載和動荷載下的負(fù)載撓度。結(jié)果表明，該橋的損傷逐年加重，但對現(xiàn)有交通需求仍有足夠的通行能力。安裝在橋上的分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)對橋梁的實時監(jiān)測與橋梁性能的準(zhǔn)確評估起到了有效的作用。

圖31 靜荷載下的第一跨和第四跨撓度

圖32 動荷載下的第一跨和第四跨撓度

上述案例主要是針對具有材質(zhì)不均勻性的混凝土橋梁應(yīng)用的介紹，因為區(qū)域分布式的長標(biāo)距光纖光柵傳感系統(tǒng)對于混凝土結(jié)構(gòu)是最為有效的。該系統(tǒng)在日本還被應(yīng)用到鋼橋、拉鎖橋等橋梁結(jié)構(gòu)，甚至被應(yīng)用到鐵塔、風(fēng)車等結(jié)構(gòu)上，具有廣泛的實用性。

5 總結(jié)

本文綜述了現(xiàn)在日本基于分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的研究現(xiàn)狀，是作者在日本和歐美發(fā)表的數(shù)篇綜述論文和科研論文的總結(jié)。文章通過對鋼筋混凝土簡支梁橋、預(yù)應(yīng)力混凝土長跨連續(xù)梁橋和高鐵框架橋進(jìn)行的現(xiàn)場應(yīng)用案例，介紹了日本橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的現(xiàn)狀，以期為中國同行提供有益參考。