基于分布式光纖傳感的橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量應(yīng)用技術(shù)研究

侯娜

（ 1、遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽110111 2、遼寧大通公路工程有限公司，遼寧 沈陽110111）

1 概述

現(xiàn)代電子信息、傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，為傳統(tǒng)土木行業(yè)工程測(cè)試測(cè)量帶來了新的技術(shù)手段和應(yīng)用前景。近十幾年來，橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的快速發(fā)展和應(yīng)用正是體現(xiàn)了新技術(shù)和傳統(tǒng)土木行業(yè)的融合促進(jìn)。然而目前較成熟的橋梁安全結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本是通過大量布設(shè)點(diǎn)式傳感器，通過局部測(cè)量來評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的整體安全狀態(tài)。隨著近幾年分布式光纖傳感技術(shù)在國內(nèi)的研發(fā)應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)長距離大范圍的分布式連續(xù)應(yīng)變測(cè)量，是目前橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)良好的補(bǔ)充內(nèi)容。

2 分布式光纖傳感基本原理

光的傳播介質(zhì)不均勻性產(chǎn)生光的散射。有些散射現(xiàn)象是介質(zhì)本身所固有的，與介質(zhì)本身的純凈度沒有本質(zhì)關(guān)系。這類散射現(xiàn)象包括瑞利散射,拉曼散射和布里淵散射。其中布里淵散射的本質(zhì)是入射光與聲學(xué)聲子相互作用的非彈性散射。光通過光纖時(shí)，會(huì)有布里淵散射的微弱光返回，它的頻率變化會(huì)和光纖的應(yīng)變成正比。布里淵散射分為自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射。布里淵時(shí)域分析技術(shù)（BOTDA）是基于受激布里淵散射原理，分別從光纖的兩端注入短脈沖光和連續(xù)探測(cè)光，通過測(cè)量光纖中受激布里淵散射光的頻率變化，就能獲得光纖軸向各點(diǎn)的應(yīng)變信息。BOTDA 原理如圖1。

圖1 BOTDA 原理

利用這一特性測(cè)量結(jié)構(gòu)體的應(yīng)變就是光纖傳感。光纖傳感技術(shù)是一種在廣域內(nèi)連續(xù)地測(cè)量光纖上產(chǎn)生應(yīng)變的技術(shù)。將光纖敷設(shè)在被測(cè)結(jié)構(gòu)體上，就能通過光纖應(yīng)變測(cè)出結(jié)構(gòu)體應(yīng)變情況。分布式光纖傳感的特性：分布式、長距離、耐久性、抗干擾且傳感光纜廉價(jià)。

3 測(cè)量應(yīng)用實(shí)現(xiàn)方法

3.1 傳感光纜選型與布設(shè)工藝

普通單模光纖可作為傳感元件，滿足傳感功能，但封裝方式不利于工程施工。粗獷的施工環(huán)境下布設(shè)纖細(xì)的光纖很容易發(fā)生彎折導(dǎo)致光損過大甚至光纖折斷無法完成測(cè)量。工程應(yīng)用中，傳感光纜需要特定的封裝設(shè)計(jì)，使其具有良好的耦合性、應(yīng)變傳遞性和高強(qiáng)度保護(hù)性。目前可采用兩種不同封裝的傳感光纜，金屬基索狀應(yīng)變感測(cè)光纜和玻璃纖維復(fù)合基應(yīng)變感測(cè)光纜。

布設(shè)方式分預(yù)埋式和表貼式兩種。預(yù)埋式布設(shè)適合應(yīng)用在新建橋梁結(jié)構(gòu)，將金屬基索傳感光纜預(yù)拉用扎帶固定在待測(cè)位置的鋼筋上，傳感光纜兩端標(biāo)注光纖位置和進(jìn)出線端。澆筑完成后，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境使用適合長度的鎧裝通訊光纜作為延長鏈路與傳感光纜熔接，并將通信光纜兩端熔接插頭接入BOTDA 解調(diào)設(shè)備。表貼式布設(shè)適合應(yīng)用在役橋梁結(jié)構(gòu)，可將玻璃纖維布傳感光纜拉直，用浸漬膠將傳感光纜黏貼于被測(cè)結(jié)構(gòu)表面。其他工序如前述方法。光纜布設(shè)完成，需對(duì)傳感光纜定位，便于后續(xù)剝離應(yīng)變傳感數(shù)據(jù)，提高分析效率。

3.2 BOTDA 解調(diào)設(shè)備應(yīng)用

BOTDA 解調(diào)設(shè)備采用商用的NBX-6050A，該設(shè)備基于PPP-BOTDA 原理，可實(shí)現(xiàn)長距離、高分辨率、高精度分布式應(yīng)變測(cè)量。測(cè)試距離大于20 km，最優(yōu)空間分辨率為5cm，應(yīng)變精度可達(dá)7.5με。但目前商用BOTDA 設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)多回路測(cè)量，為解決此問題測(cè)量系統(tǒng)可集成多通道光開關(guān)模塊，實(shí)現(xiàn)多通道光路拓展。設(shè)備測(cè)試流程如圖2 所示。

4 橋面板模型加載試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)橋面板采用C40 混凝土，配普通鋼筋，試驗(yàn)橋面板尺寸1000mm×220mm×2200mm，橋面板混凝土體積0.484 立方米。預(yù)埋傳感光纜為金屬基索狀應(yīng)變感測(cè)光纜，直徑5mm，傳感光纜總長度30.5m，通信光纜總長度20m。BOTDA 解調(diào)儀型號(hào)NBX-6050A，空間分辨率50mm。

4.2 試驗(yàn)方法

圖2 BOTDA 解調(diào)設(shè)備測(cè)試流程

傳感光纖分別布設(shè)于橋面板頂層和底層鋼筋上，沿頂層縱向鋼筋方向回旋布設(shè)傳感光纜，長度2100mm×4，橫向間隔光纜長度200mm×3；沿頂層橫向鋼筋方向回旋布設(shè)傳感光纜,長度1000mm×5,縱向間隔光纜長度400mm×4。底層只布設(shè)縱向光纜，和頂層對(duì)稱布設(shè)。利用激光筆測(cè)試三個(gè)鏈路的傳感光纜成活率，光纜分別通光正常后三個(gè)鏈路串聯(lián)熔接，形成一個(gè)光纖鏈路，并熔接延長的通訊光纜連接至BOTDA 解調(diào)儀，進(jìn)行模型板加載試驗(yàn)。加載工況0 kN 至120 kN，步進(jìn)值10 kN，120 kN 至460 kN，步進(jìn)值20 kN，加載至破壞工況。加載試驗(yàn)如圖3所示。

圖3 橋面板模型加載試驗(yàn)

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)比分布式光纖與單點(diǎn)電阻式應(yīng)變傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)，選取跨中截面，測(cè)點(diǎn)位置“應(yīng)變計(jì)- 頂”為頂板中心，“應(yīng)變計(jì)- 腹1”為腹板距頂板30mm，“應(yīng)變計(jì)- 腹2”為腹板距頂板70mm，“應(yīng)變計(jì)- 腹3”為腹板中心距頂板110mm.傳感光纜通過定點(diǎn)截取跨中截面數(shù)據(jù)點(diǎn)，定位精度50mm ，“光纖- 頂”預(yù)埋光纜距頂板60mm ，“光纖- 底”預(yù)埋光纜距頂板150mm。加載力0 至420 kN，應(yīng)變分布曲線如圖4 所示。從數(shù)據(jù)對(duì)比曲線可以看出隨著荷載的增加，應(yīng)變值不斷增大且中性軸隨著荷載的增加逐漸上升。

圖4 跨中截面應(yīng)變分布曲線

另外,預(yù)埋在橋面板內(nèi)的分布式傳感光纜，較直觀地反應(yīng)了加載過程中橋面板內(nèi)部混凝土應(yīng)變分布規(guī)律。如圖5 所示,分別反映了橋面板縱向4 個(gè)截面，混凝土上緣（上圖）和下緣（下圖）的應(yīng)變分布規(guī)律。加載過程中，橋面板截面，下緣混凝土受拉，上緣混凝土受壓，且下緣的拉應(yīng)變大于上緣的壓應(yīng)變，隨著中性軸的上升，上緣混凝土由受壓轉(zhuǎn)為受拉。利用4 個(gè)截面上下緣的應(yīng)變數(shù)據(jù)可繪制橋面板加載狀態(tài)下的三維應(yīng)變分布圖。

圖5 橋面板縱向混凝土上下緣應(yīng)變曲線

5 結(jié)論

本文主要介紹了分布式光纖傳感技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量中的應(yīng)用，簡述了BOTDA 基本原理，基于BOTDA 測(cè)量的分布式光纜選型與光纜布設(shè)工藝和商用設(shè)備集成應(yīng)用情況。依托于鋼筋混凝土橋面板模型受彎試驗(yàn)，驗(yàn)證了分布式光纖傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量應(yīng)用中的可行性，雖然分布式光纖傳感的應(yīng)變精度低于傳統(tǒng)點(diǎn)式應(yīng)變傳感器，但可作為應(yīng)變監(jiān)測(cè)的輔助手段，監(jiān)測(cè)沿縱橋向各位置的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，了解結(jié)構(gòu)在受力狀態(tài)下的應(yīng)變分布規(guī)律?？蓪㈩A(yù)埋分布式傳感光纜預(yù)制于大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，從而監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)全壽命期的應(yīng)變情況。