基于FBG的斜拉橋索力在線監(jiān)測系統(tǒng)

朱萬旭， 蘇泳旗， 龐晰中

(1.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院, 廣西 桂林 541004； 2.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541004)

0 引言

改革開放以后，我國在經(jīng)濟(jì)、文化、科技方面的水平得到了顯著提高，在此期間新建了許多橋梁。據(jù)不完全統(tǒng)計顯示，截至2015年末，全國公路橋梁達(dá)到77.9萬座，其中，特大橋梁3894座、大橋7.9萬座。由于一些橋梁的年代較為久遠(yuǎn)和當(dāng)時建設(shè)技術(shù)的不成熟，在使用階段中結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的損壞，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的壽命[1-2]。例如廣東省的海印大橋在使用7 a后拉索出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象，之后拉索又出現(xiàn)了松動現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了橋梁的安全性，因此不得不花費(fèi)2 000萬元對所有斜拉索進(jìn)行更換；孔雀河大橋因索力監(jiān)測不到位導(dǎo)致吊桿斷裂，進(jìn)而引起主梁的坍塌；由于沒有及時了解武夷山公館大橋橋面拉索的受力情況，2011年發(fā)生吊索斷裂，導(dǎo)致一輛在橋上行駛的大巴墜橋，損失慘重。因此，需要采取有效的監(jiān)測措施對結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期穩(wěn)定監(jiān)測，以便及時修復(fù)受損結(jié)構(gòu)，而如何對重要構(gòu)件的受力狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測成了土木研究領(lǐng)域急需解決的問題。

在橋梁施工過程中，由于現(xiàn)場施工條件的限定，通常會對拉索進(jìn)行分組張拉，使索力達(dá)到理論設(shè)計值，但此過程中必然會影響到其他拉索的索力；在運(yùn)營過程中，拉索會因結(jié)構(gòu)突變引起應(yīng)力變化、結(jié)構(gòu)老化、腐蝕等因素使索力出現(xiàn)變化，從而出現(xiàn)斷絲、失效等現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致橋梁大面積維修或坍塌事故。由此看來，拉索的索力可作為橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要指標(biāo)，在橋梁的施工過程和運(yùn)營期間，需要對索力進(jìn)行監(jiān)測，以便了解拉索的受力狀態(tài)，從而及時掌握橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。目前普遍采用的索力監(jiān)測方法主要有：①千斤頂壓力表測定法[3]；②壓力傳感器測定法[4]；③電阻應(yīng)變片測定法[5]；④振動頻率法[6]；⑤磁通量法[7]。這些監(jiān)測方法雖然有各自的優(yōu)點(diǎn)，但總的來說都無法對拉索進(jìn)行長期有效監(jiān)測。20世紀(jì)90年代，隨著光纖光柵傳感技術(shù)水平的提高使光纖光柵傳感器的應(yīng)用越來越廣，而光纖光柵應(yīng)變傳感器能對結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布情況進(jìn)行分析，從而快速了解結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度等信息的特點(diǎn)[8]，PROHASKA[9]等于1992年首次將光纖光柵應(yīng)用到混凝土中，通過光纖光柵測出了混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。該創(chuàng)新得到了國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注，成功將光纖光柵引入到了土木工程的研究領(lǐng)域當(dāng)中。2002年，BENMOKRANE[10]等將光纖光柵放入金屬套中以加強(qiáng)對光纖光柵的防護(hù)作用，并通過套管端部的凹槽和金屬限位環(huán)使光纖光柵元件同時具有監(jiān)測和夾持的功能，為光纖光柵索力監(jiān)測的封裝技術(shù)提供了參考依據(jù)。2015年，任錦成[11]等同時在拉索兩端的錨頭都布置了光纖光柵傳感器，并且運(yùn)用該方法對樂清體育場的部分拉索進(jìn)行索力監(jiān)測，為整體健康評估提供依據(jù)。2018年，朱元[12]等將光纖光柵嵌入中心鋼絲的凹槽內(nèi)，并對錨固技術(shù)和索體制造工藝進(jìn)行了試驗(yàn)論證，證明了該方法能對吊桿索力進(jìn)行有效實(shí)時監(jiān)測。

1 工程概況

衡陽東洲湘江大橋主橋?yàn)?120+2×210+120)m矮塔斜拉橋，將3個主墩分別編號為10#、11#、12#，其中11#主墩采用塔墩梁固結(jié)的方式。斜拉索為單索面雙排索。主梁施工采用掛籃懸臂澆筑，分為3個懸澆“T”構(gòu)，將每個“T”構(gòu)單側(cè)主梁劃分為24段，其中1#～8#節(jié)段為無索區(qū)，1#～24#的節(jié)段長度為2×3.5+22×4.0 m。箱梁頂板寬度為38.5 m，0#～6#截面的中室頂板為1～0.7 m的變厚區(qū)域，其余截面的中室頂板厚度為0.7 m，頂部設(shè)有0.3 m厚凸起構(gòu)造，0#～6#截面的邊室頂板為0.55～0.28 m的變厚區(qū)域，其余截面的邊室頂板厚度為0.28 m；箱梁采用大懸臂構(gòu)造，懸臂長為8.25 m，采用一次性澆筑，翼緣板端部設(shè)有0.7 m高的小縱梁?？缰邢淞旱母叨葹?.8 m，支座處箱梁的高度為7 m。索塔高度為35m，主塔截面沿縱向的等寬段厚度為5 m，寬度在塔底10 m范圍內(nèi)由5 m變化至6 m；主塔截面橫向?qū)挾葹? m。圖1、圖2分別為主梁截面尺寸和主橋總體布置圖。

圖1 主梁截面尺寸圖(單位：cm)Figure 1 Section dimension of main beam (Unit: cm)

圖2 主橋總體布置圖Figure 2 General layout of main bridge

2 東洲湘江大橋索力監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)建設(shè)流程

根據(jù)東洲湘江大橋的整體布置，并結(jié)合橋梁現(xiàn)場施工的具體情況，對大橋斜拉索制定合理的監(jiān)測方案，從而對施工階段和運(yùn)營階段的斜拉索進(jìn)行有效監(jiān)測。光纖光柵傳感器智能索力監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)流程如圖3所示。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)的組成

光纖布喇格光柵傳感器索力監(jiān)測系統(tǒng)是可用于在線實(shí)時觀測遠(yuǎn)端索力變化的監(jiān)測系統(tǒng)，可用于施工階段監(jiān)測和運(yùn)營階段長期在線實(shí)時監(jiān)測。該系統(tǒng)包括傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理與管理模塊、數(shù)據(jù)分析與安全預(yù)警模塊。

東洲湘江大橋索力監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)包括內(nèi)嵌光纖布喇格光柵傳感器、光纖、跳線接頭、傳輸光纜、中控室(主要儀器為光纖光柵解調(diào)設(shè)備)、無線傳輸設(shè)備(可置入光纖光柵解調(diào)儀內(nèi))及云端數(shù)據(jù)儲存服務(wù)器。內(nèi)嵌光纖布喇格光柵傳感器將采集信號通過光纖、跳線接頭和傳輸光纜傳遞到中控室，中控室內(nèi)的光纖光柵解調(diào)設(shè)備將信號轉(zhuǎn)換后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)儲存服務(wù)器，可通過電腦、手機(jī)或平板設(shè)備訪問該服務(wù)器提取數(shù)據(jù)。東洲湘江大橋索力監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總體布置和實(shí)物如圖4、圖5所示。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)流程圖Figure 3 Flow chart of monitoring system construction

圖4 運(yùn)營階段監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總體布置圖Figure 4 General layout of monitoring system network in operation stage

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)總體布置實(shí)物圖Figure 5 General layout of monitoring system

2.3 自感知鋼絞線的制作與安裝

為了能有效地利用光纖布喇格光柵傳感器測量斜拉索的索力，該工程項目通過在鋼絞線內(nèi)部嵌入光纖布喇格光柵傳感器來直接測量鋼絞線的應(yīng)變，經(jīng)過簡單計算即可得出斜拉索的索力。光纖布喇格光柵傳感器的具體封裝方法如下[13]：使用機(jī)器將鋼絞線打散，將中心絲取出并在其表面沿縱向設(shè)置凹槽，將FBG粘貼到凹槽底部，再把中心絲與邊絲重新扭絞成鋼絞線，在端部引出光纖并將其封裝保護(hù)。自感知鋼絞線實(shí)物如圖6所示。

圖6 自感知鋼絞線實(shí)物圖Figure 6 Physical diagram of self sensing steel strand

為了及時掌握施工期間拉索的內(nèi)力狀況，決定對所有拉索索力進(jìn)行監(jiān)測，以便和施工監(jiān)控有效地結(jié)合起來，因此在所有斜拉索上安裝光纖布喇格光柵傳感器，同時可為后期選取部分測點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)提供更多方案，以便根據(jù)橋梁施工情況臨時變更組網(wǎng)方案。當(dāng)橋梁進(jìn)入成橋階段時，對測點(diǎn)傳感器進(jìn)行組網(wǎng)，將施工階段時的人工采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為計算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時在線采集數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)的采集和傳輸量較大，為了使項目資源得到充分利用，在保障能有效采集索力數(shù)據(jù)的前提下，通過以下原則合理地選取了21個測點(diǎn)傳感器進(jìn)行組網(wǎng)：

為使給排水控制系統(tǒng)運(yùn)行中涉及的電氣設(shè)備運(yùn)行故障得以及時處理，需要在PLC作用下將相應(yīng)的輪換工作落實(shí)到位，并實(shí)現(xiàn)對這項工作過程的有效控制，確保系統(tǒng)中電氣設(shè)備的良好運(yùn)行。

① 在每種規(guī)格型號的索中選取代表性的索均勻布置測點(diǎn)。②選取索力最大的索、應(yīng)力幅最大的索和安全系數(shù)最小的索進(jìn)行監(jiān)測。③測點(diǎn)布置宜包括上游、下游與中跨、邊跨。

最終所選監(jiān)測測點(diǎn)編號如表1所示。

表1 運(yùn)營階段監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)監(jiān)測測點(diǎn)Table 1 Network monitoring points of monitoring system in operation stage索塔測點(diǎn)編號位置索塔測點(diǎn)編號位置索塔測點(diǎn)編號位置10-s1-YX雁峰區(qū)下游11-s1-ZS珠暉區(qū)上游12-s2-ZX珠暉區(qū)下游10-s4-ZX珠暉區(qū)上游11-s4-YS雁峰區(qū)上游12-s3-YX雁峰區(qū)下游10-s6-YS雁峰區(qū)上游11-s8-YX雁峰區(qū)下游12-s5-ZS珠暉區(qū)上游10#10-s9-YX雁峰區(qū)下游11#11-s10-ZX珠暉區(qū)下游12#12-s7-YX雁峰區(qū)下游10-s11-ZS珠暉區(qū)下游11-s12-YS雁峰區(qū)上游12-s10-ZX珠暉區(qū)上游10-s15-YS雁峰區(qū)上游11-s14-YX雁峰區(qū)下游12-s15-ZS珠暉區(qū)上游10-s16-ZX珠暉區(qū)下游11-s16-ZS珠暉區(qū)上游12-s15-YS雁峰區(qū)上游

2.4 監(jiān)測系統(tǒng)軟件界面

如圖7所示，系統(tǒng)左側(cè)菜單欄選項分別為使用指南、首頁面、傳感器列表、管理配置、數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)評估、管理員管理，圖中展示的即為系統(tǒng)

圖7 監(jiān)測系統(tǒng)首頁界面Figure 7 Home page of monitoring system

首頁面；點(diǎn)擊下方的10#塔，即可直觀地看到布置在10#塔上的傳感器位置和監(jiān)測情況，如圖8所示；數(shù)據(jù)分析是本系統(tǒng)的核心功能，可以查看當(dāng)前實(shí)時更新的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及自系統(tǒng)建立以來的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且還可以進(jìn)行每個傳感器數(shù)據(jù)的異常分析。

圖8 監(jiān)測系統(tǒng)10#索塔傳感器Figure 8 Monitoring system 10# cable tower sensor

3 全橋索力監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 東洲湘江大橋有限元模型

本文采用橋梁有限元軟件Midas/Civil對東洲湘江大橋進(jìn)行有限元模擬，建立全橋有限元模型，共507個單元，512個節(jié)點(diǎn)。橋梁模型采用桁架單元來模擬斜拉索，其余單元均采用梁單元模擬，全橋有限元模型如圖9所示。

圖9 東洲湘江大橋有限元模型Figure 9 Finite element model of Dongzhou Xiangjiang Bridge

根據(jù)東洲湘江大橋的設(shè)計圖紙，對材料特性進(jìn)行設(shè)置。橋墩采用C55混凝土，主梁和主塔均采用C60混凝土，斜拉索采用單絲涂覆環(huán)氧噴涂鋼絞線。斜拉索和混凝土容重、彈性模量、泊松比、線膨脹系數(shù)等參數(shù)按照設(shè)計規(guī)范選取。其自重根據(jù)設(shè)置的混凝土容重和鋼材容重，按照施工順序?qū)χ髁簡卧?、索塔單元和拉索單元施加荷載；混凝土材料的收縮徐變與活載均按照現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計規(guī)范設(shè)置；二期荷載與施工荷載分別取129.5kN/m與2000kN。

東洲湘江大橋采用掛籃懸臂的施工方法，根據(jù)設(shè)計資料的施工方案，將橋梁施工劃分為51個施工階段。通過橋梁有限元軟件Midas/Civil的分析計算，在設(shè)計理論工況下各施工階段的斜拉索的索力值如表2所示，成橋階段的斜拉索索力計算結(jié)果如表3所示。圖10為斜拉索編號示意圖。

表2 施工階段斜拉索理論索力F0Table 2 Theoretical cable force F0 of cable in construction stagekN編號不同施工階段斜拉索理論索力張拉S1張拉S2張拉S3張拉S4張拉S5張拉S6張拉S7張拉S8張拉S9張拉S10張拉S11張拉S12張拉S13張拉S14張拉S15張拉S16S16 3506 3066 2636 2196 1776 1356 0986 0626 0275 9935 9625 9355 9005 8675 8385 812S2—6 3506 3046 2586 2126 1686 1296 0906 0536 0165 9835 9545 9165 8815 8505 821S3——6 3506 3016 2536 2066 1646 1236 0846 0456 0095 9785 9375 9005 8665 836S4———6 3506 3006 2506 2066 1636 1216 0796 0426 0085 9655 9255 8895 857S5————6 2606 2086 1616 1166 0716 0275 9885 9525 9065 8645 8255 791S6—————6 2606 2116 1636 1166 0706 0285 9915 9425 8965 8565 819S7——————6 1106 0606 0115 9625 9185 8795 8275 7795 7365 697S8———————6 1106 0455 9805 9215 8675 7975 7335 6745 621S9————————6 1706 1026 0405 9855 9115 8435 7815 725S10—————————6 1706 1066 0485 9705 8985 8335 775S11——————————6 1706 1096 0285 9535 8855 823S12———————————6 1706 0856 0075 9365 871S13————————————6 5806 4986 4246 356S14—————————————6 5806 5026 431S15——————————————6 5806 498S16———————————————6 580

表3 成橋階段斜拉索理論索力Table 3 Theoretical cable forces of stay cables at completion stage編號斜拉索索力/kN索面一索面二索面三編號斜拉索索力/kN索面一索面二索面三S15 7955 8125 851S96 3846 1446 324S25 8605 8625 913S106 5186 2406 438S35 9315 9155 977S116 6466 3326 548S46 0165 9776 052S126 7697 0926 655S56 0195 9556 042S137 3327 5707 203S66 1196 0286 127S147 4847 6967 345S76 0585 9006 044S157 6317 7717 483S86 1895 9906 152S167 7747 8447 618

圖10 斜拉索編號示意圖Figure 10 Schematic diagram of cable numbering

3.2 張拉階段索力監(jiān)測結(jié)果分析

為了驗(yàn)證索力監(jiān)測系統(tǒng)對索力監(jiān)測的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，控制好橋梁施工階段的施工質(zhì)量，在施工期間對張拉施工的拉索進(jìn)行索力監(jiān)測，每一測點(diǎn)共進(jìn)行4次索力量測：

a.第1次量測為測點(diǎn)所在拉索張拉完成后。

b.第2次量測為測點(diǎn)所在拉索張拉完成，順序進(jìn)行張拉的第1根拉索張拉完成后。

c.第3次量測為測點(diǎn)所在拉索張拉完成，順序進(jìn)行張拉的第2根拉索張拉完成后。

d.第4次量測為全橋拉索全部張拉完成后。

以10#索塔為例，施工階段的4次索力監(jiān)測情況如表4所示。

表4 10#索塔斜拉索的索力監(jiān)測情況Table 4 Cable force monitoring of 10# cable tower編號第1次量測F1/kNF1-F0F0%第2次量測F2/kNF2-F0 F0%第3次量測F3/kNF3-F0F0%第4次量測F4/kNF4-F0 F0%珠暉區(qū)上游6 5793.386 4071.366 4503.455 803-0.0310S1珠暉區(qū)下游6 4932.036 32106 3642.075 8971.59雁峰區(qū)上游6 5793.386 3640.686 4072.765 8280.4雁峰區(qū)下游6 4500.356 4071.366 2780.695 8791.27珠暉區(qū)上游6 4070.686 3640.686 4072.055 8340.5010S2珠暉區(qū)下游6 235-2.036 235-1.366 4502.745 8691.10雁峰區(qū)上游6 5362.706 4932.726 3210.685 8170.20雁峰區(qū)下游6 5793.386 4932.726 4072.055 8500.78珠暉區(qū)上游6 5363.46 3642.076 3642.075 781-1.1410S3珠暉區(qū)下游6 4932.726 3211.386 3211.385 8500.03雁峰區(qū)上游6 4071.366 3642.076 2780.695 9441.65雁峰區(qū)下游6 4502.046 4072.766 2780.696 0202.93珠暉區(qū)上游6 5362.706 4932.726 4072.765 9682.0610S4珠暉區(qū)下游6 4932.036 4502.046 3642.075 845-0.06雁峰區(qū)上游6 5362.706 4932.726 4072.765 9902.43雁峰區(qū)下游6 4501.356 4071.366 3211.385 819-0.50珠暉區(qū)上游6 4933.426 4073.476 3643.505 9742.9210S5珠暉區(qū)下游6 4502.746 3642.786 3212.805 8811.31雁峰區(qū)上游6 4072.056 3642.786 3212.805 9562.60雁峰區(qū)下游6 3641.376 2781.396 2351.405 9362.25珠暉區(qū)上游6 4072.056 3642.786 3212.805 8751.2110S6珠暉區(qū)下游6 3641.376 3212.086 2782.105 8290.41雁峰區(qū)上游6 4502.746 3642.786 3212.805 9622.70雁峰區(qū)下游6 4072.056 2781.396 2351.405 8961.57珠暉區(qū)上游6 1921.416 1491.426 1061.435 672-0.0810S7珠暉區(qū)下游6 2352.116 1922.136 1492.145 645-0.55雁峰區(qū)上游6 1490.706 1060.716 0630.715 7391.11雁峰區(qū)下游6 2782.826 1922.136 10605 8162.47珠暉區(qū)上游6 2702.706 2152.736 1602.755 8113.5810S8珠暉區(qū)下游6 3253.606 2152.736 1602.755 7913.23雁峰區(qū)上游6 1600.906 1050.916 1051.835 7362.25雁峰區(qū)下游6 2702.706 2703.646 1602.755 6110.02珠暉區(qū)上游6 3252.686 2702.706 2152.735 9013.1610S9珠暉區(qū)下游6 2701.796 2151.806 1601.825 9023.17雁峰區(qū)上游6 16006 10506 1050.915 7781.01雁峰區(qū)下游6 2150.896 1600.906 1601.925 8101.58

續(xù)表4 10#索塔斜拉索的索力監(jiān)測情況編號第1次量測F1/kNF1-F0F0%第2次量測F2/kNF2-F0 F0%第3次量測F3/kNF3-F0F0%第4次量測F4/kNF4-F0 F0%珠暉區(qū)上游6 2150.896 1600.906 1050.915 679-1.6710S10珠暉區(qū)下游6 2701.796 2151.806 1601.825 9012.18雁峰區(qū)上游6 3252.686 2702.706 2152.735 9833.61雁峰區(qū)下游6 16006 1600.906 1050.915 8731.70珠暉區(qū)上游6 2701.796 2702.706 2152.735 9982.8910S11珠暉區(qū)下游6 16006 1600.906 1050.915 9632.27雁峰區(qū)上游6 2150.896 2151.806 1601.825 9992.90雁峰區(qū)下游6 3252.686 1600.906 1601.825 823-0.12珠暉區(qū)上游6 3252.686 2702.706 2152.736 0973.6110S12珠暉區(qū)下游6 2701.796 2151.806 1601.825 9921.81雁峰區(qū)上游6 2150.896 1600.906 1050.915 9020.29雁峰區(qū)下游6 2701.796 2151.806 1601.826 0382.61珠暉區(qū)上游6 8203.336 6552.546 6002.566 5312.3710S13珠暉區(qū)下游6 7101.676 6001.696 5451.716 5202.20雁峰區(qū)上游6 7652.506 6001.696 6002.566 4430.99雁峰區(qū)下游6 60006 5450.856 380-0.856 4270.73珠暉區(qū)上游6 7101.676 5450.856 380-0.856 4540.2910S14珠暉區(qū)下游6 7652.506 6552.546 6002.566 6252.95雁峰區(qū)上游6 7652.506 6001.696 5451.716 6513.35雁峰區(qū)下游6 7101.676 6552.546 4900.856 5982.54珠暉區(qū)上游6 7712.786 405-1.87 — —6 5480.3210S15珠暉區(qū)下游6 527-0.936 5880.93——6 487-1.62雁峰區(qū)上游6 7101.856 7102.80——6 6521.92雁峰區(qū)下游6 7101.856 7102.80——6 7343.18珠暉區(qū)上游6 7101.85————6 7482.4310S16珠暉區(qū)下游6 6490.93————6 6220.51雁峰區(qū)上游6 7712.78————6 8143.44雁峰區(qū)下游6 7101.85————6 6841.45

從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，光纖光柵傳感器所監(jiān)測的索力具有良好的穩(wěn)定性，傳感器監(jiān)測的索力值是施工張拉力實(shí)際值的反映，與通過橋梁有限元軟件Midas/Civil計算的各工況索力值呈相同趨勢。隨著施工階段的進(jìn)行，10#索塔各傳感器監(jiān)測的索力與張拉索力理論值相差較小，每根斜拉索的監(jiān)測索力與理論值相差最大不超過3.61%，說明光纖光柵傳感器能良好地監(jiān)測索力變化。

3.3 成橋階段傳感器測點(diǎn)索力監(jiān)測結(jié)果分析

跨中合攏后，將實(shí)時在線監(jiān)測測點(diǎn)組網(wǎng)，建立完成東洲湘江大橋索力監(jiān)測系統(tǒng)，并對橋梁成橋階段的索力變化進(jìn)行監(jiān)測。光纖光柵傳感器將采集的索力數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)系統(tǒng)上進(jìn)行處理和保存，通過登錄計算機(jī)系統(tǒng)可查看記錄保存的數(shù)據(jù)。以10#索塔為例，組網(wǎng)完畢后2個多月間的索力變化如圖11所示。

從圖11中可以看出，各傳感器監(jiān)測的索力變化趨勢基本一致。在日間索力隨時間逐漸減小，傍晚時出現(xiàn)當(dāng)日監(jiān)測索力的最小值，此后夜間索力逐漸增大，凌晨時出現(xiàn)當(dāng)日監(jiān)測索力的最大值。根據(jù)每日索力變化的規(guī)律分析，由于拉索的鋼絞線采用鋼材，其線膨脹系數(shù)比混凝土材料大很多，更容易受溫度變化的影響。在日間隨著大氣溫度升高，拉索受熱變得松弛，索力會逐漸減??；夜晚大氣溫度開始下降，拉索因降溫出現(xiàn)繃緊現(xiàn)象，索力逐漸增大，因此，在每日的索力曲線圖中，會在日間和夜間分別出現(xiàn)索力的最小值和最大值，監(jiān)測結(jié)果能很好地反映出這個變化規(guī)律。與此同時，8月10號之前為橋面鋪裝施工，期間會增大橋面荷載，導(dǎo)致索力增大，因此在橋面鋪裝施工期間的索力是增大的，在折線圖中呈現(xiàn)為逐漸上升的波浪線。橋面鋪裝施工后，橋梁進(jìn)入為期10 d左右的施工間歇期，之后開始進(jìn)行欄桿安裝和人行道鋪磚，期間橋面施工規(guī)模較小，橋面荷載變化不大，索力受到的影響很小，主要受溫度變化影響。為了檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和工作狀態(tài)是否滿足設(shè)計和規(guī)范的要求，在9月3號至9月6號進(jìn)行了成橋試驗(yàn)，由于車輛荷載較大，在試驗(yàn)期間索力先增大后恢復(fù)到加載前的狀態(tài)。

圖11 系統(tǒng)監(jiān)測成橋階段索力變化情況(單位： kN)Figure 11 Change of cable force during bridge completion stage (Unit: kN)

在成橋階段實(shí)時監(jiān)測索力期間，橋面荷載和溫度變化會使索力產(chǎn)生較大的變化，其對索力的影響能在監(jiān)測系統(tǒng)中良好地反映出來，索力監(jiān)測系統(tǒng)能有效地監(jiān)測拉索的索力變化情況，監(jiān)測索力值與理論設(shè)計值誤差不超過5%。

3.4 成橋階段傳感器測點(diǎn)拉索的健康狀態(tài)分析

系統(tǒng)通過采集索力數(shù)據(jù)與設(shè)計值進(jìn)行對比，判斷出異常的索力數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測拉索的健康狀態(tài)。以10#為例，取最終組網(wǎng)的3個傳感器進(jìn)行分析，圖12～圖14為成橋階段傳感器測點(diǎn)索力異常的分析結(jié)果。可以看出成橋階段10#索塔各傳感器測點(diǎn)索力都未超過系統(tǒng)設(shè)置的閾值，索力數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，成橋階段拉索正常工作，能對橋梁進(jìn)行后繼施工。

綜上所述，成橋階段期間所有傳感器測點(diǎn)索力數(shù)據(jù)無異常，拉索正常工作，索力監(jiān)測系統(tǒng)能有效地監(jiān)測拉索的健康狀態(tài)。

圖12 測點(diǎn)編號：10-s1-YXFigure 12 Measuring point No.10-s1-YX

圖13 測點(diǎn)編號：10-s4-ZXFigure 13 Measuring point No.10-s4-ZX

圖14 測點(diǎn)編號：10-s6-YSFigure 14 Measuring point No.10-s6-YX

4 結(jié)論

本文根據(jù)光纖布喇格光柵的原理制作了自感知鋼絞線并依此建立了索力監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合東洲湘江大橋設(shè)計施工說明書，運(yùn)用橋梁有限元軟件Midas/Civil建立全橋有限元模型對該橋進(jìn)行有限元模擬，計算出施工階段拉索的索力。對比現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，得出以下結(jié)論：

a.從施工階段索力的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，采用自感知鋼絞線監(jiān)測獲得的索力具有良好的穩(wěn)定性，監(jiān)測的索力值是施工張拉力實(shí)際值的反映，與通過橋梁有限元軟件Midas/Civil在各階段工況下計算的索力值呈相同趨勢。隨著施工階段的進(jìn)行，傳感器監(jiān)測的索力與張拉索力理論值相差較小，監(jiān)測索力值與理論值相差不大于3.61%，自感知鋼絞線能良好地監(jiān)測索力變化。

b.從成橋階段索力的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，其監(jiān)測結(jié)果能準(zhǔn)確地反映傳感器測點(diǎn)索力的實(shí)際變化情況；系統(tǒng)顯示監(jiān)測的成橋階段索力均未超過設(shè)計值的5%，索力數(shù)據(jù)正常，拉索正常工作，能對橋梁進(jìn)行后繼施工。索力監(jiān)測系統(tǒng)能有效地監(jiān)測拉索的健康狀態(tài)。

c.該系統(tǒng)成功地應(yīng)用在東洲湘江大橋上，其能夠有效地監(jiān)測拉索的索力，正確反應(yīng)橋梁拉索的健康狀態(tài)；系統(tǒng)用戶通過登陸服務(wù)器可查看現(xiàn)階段和歷史記錄的傳感器測點(diǎn)索力與其健康狀態(tài)。