橋梁健康監(jiān)測(cè)——光纖光柵技術(shù)在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用

橋梁在建造和使用過程中，由于受到環(huán)境、有害物質(zhì)的侵蝕，車輛、風(fēng)、地震、疲勞、人為因素等外來(lái)作用，以及材料自身性能的不斷退化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部分在遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)年限前就產(chǎn)生不同程度的損傷和劣化。這些損傷如果不能及時(shí)得到檢測(cè)和維修，則會(huì)影響行車安全和縮短橋梁使用壽命。

橋梁健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用

本文首先闡述了橋梁健康監(jiān)測(cè)的概念，又介紹了傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)方法，同時(shí)又介紹了一種新的橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)——光纖光柵技術(shù)，并對(duì)比了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，這樣就為橋梁工程的發(fā)展開辟了新的空間。

1 橋梁健康監(jiān)測(cè)的概念

橋梁健康監(jiān)測(cè)的基本內(nèi)涵是根據(jù)結(jié)構(gòu)的主要性能指標(biāo) （如可靠性、耐久性等），結(jié)合無(wú)損檢測(cè) （NDT）和結(jié)構(gòu)特性分析（包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)），從營(yíng)運(yùn)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)中獲取并處理數(shù)據(jù)，目的是為了診斷結(jié)構(gòu)中是否有損傷發(fā)生，判斷損傷的位置，估計(jì)損傷的程度以及損傷對(duì)結(jié)構(gòu)將要造成的后果。通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估，為橋梁在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營(yíng)狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，為橋梁維護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。

橋梁健康監(jiān)測(cè)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐久性評(píng)估的需要和橋梁管理、決策部門的信息需求，并結(jié)合目前國(guó)內(nèi)的實(shí)際經(jīng)濟(jì)條件及橋梁現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)條件，確定橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中實(shí)施的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，以實(shí)用性、可靠性為基礎(chǔ)，在一定程度上兼顧其先進(jìn)性，并考慮到費(fèi)用一效益（cost- benefit）的關(guān)系，確定各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

2 傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)方法

傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)技術(shù)是通過人工目測(cè)檢查或借助于便攜式儀器測(cè)量得到的信息對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。人工橋梁檢查分為經(jīng)常檢查、定期檢查和特殊檢查。但是人工橋梁檢查方法在實(shí)際應(yīng)用中有很大的局限性。傳統(tǒng)檢測(cè)方式的不足之處主要表現(xiàn)在：

1）需要大量人力、物力并有諸多檢查盲點(diǎn)，這對(duì)現(xiàn)代大型橋梁尤其突出。

2）主觀性強(qiáng)，難于量化。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，雖然現(xiàn)代斜拉橋的分析設(shè)計(jì)與施工技術(shù)已日趨完善，但對(duì)某些響應(yīng)現(xiàn)象，尤其是損傷的發(fā)展過程，尚處于經(jīng)驗(yàn)積累中，因此定量化的描述是很重要的。

3）缺少整體性。人工檢查以單一構(gòu)件為對(duì)象，只能提供局部的檢測(cè)和診斷信息，而不能提供整體全面的結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)和評(píng)估信息。

4）影響正常交通運(yùn)行。對(duì)于較大型的橋梁通常需要搭設(shè)觀察平臺(tái)或用觀測(cè)車輛，無(wú)可避免需要實(shí)施交通控制。

5）周期長(zhǎng)，時(shí)效性差。大型橋梁的檢查周期可達(dá)數(shù)年。在有重大事故或嚴(yán)重自然災(zāi)害的情況下，不能向決策者和公眾提供即時(shí)信息。

從上可知，人工橋梁檢查程序和設(shè)施，無(wú)法直接和有效地應(yīng)用于大型橋梁的檢測(cè)上。因此有必要建立一個(gè)針對(duì)大橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)和評(píng)估大橋在運(yùn)營(yíng)期間結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和使用性等。

橋梁健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用

3 光纖光柵技術(shù)應(yīng)用于橋梁監(jiān)測(cè)

光纖光柵是 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)國(guó)際上新興的一種在光纖通信、光纖傳感等光電子處理領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景的基礎(chǔ)性光纖器件。光纖光柵是以光纖為基本材料，通過激光加工形成的一種特殊器件，能夠?qū)M足布拉格條件的光進(jìn)行反射，在實(shí)際工程中，要檢測(cè)的點(diǎn)如果受到應(yīng)變、溫度、壓力、位移和加速度等變化，波長(zhǎng)就會(huì)改變，這樣通過檢測(cè)波長(zhǎng)的變化就可以檢測(cè)出此點(diǎn)的應(yīng)力狀況。進(jìn)而可以判斷出被檢測(cè)物體的安全狀況。

同傳統(tǒng)的電傳感器相比，光纖光柵傳感器具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）多個(gè)相同或不同類型的傳感器可以串接復(fù)用在一根光纖上，系統(tǒng)集成度高；

2）單根光纖上串接的傳感器間隔可以是幾厘米或幾十公里，直接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸測(cè)量精度和分辨率高；

3）傳感器的零偏值不漂移，屬于絕對(duì)量測(cè)量，長(zhǎng)期工作性能穩(wěn)定；

4）環(huán)境適應(yīng)性好，可長(zhǎng)期用于高溫、高濕及存在化學(xué)侵蝕等的惡劣環(huán)境；

5）重量輕，體積小， 安裝使用方便；

6）以光信號(hào)中心波長(zhǎng)值表征被測(cè)量，不受光強(qiáng)波動(dòng)及傳輸光纖彎曲損耗等影響。

傳感器串接鏈具有自愈合功能：正常工作時(shí)，只需將傳感串接鏈的首端或尾端接到光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀即可實(shí)現(xiàn)所有傳感器信號(hào)的同時(shí)檢測(cè)；一旦施工中的意外情況或其他災(zāi)害導(dǎo)致傳感器串接鏈斷損， 則可以將傳感鏈的另一端也接到光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀，此時(shí)以斷點(diǎn)為界，左右兩側(cè)所有的傳感器分別通過串接鏈的首端和尾端連接到光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)自愈合。

基于光纖光柵傳感系統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)以橋梁結(jié)構(gòu)為平臺(tái)，應(yīng)用新型光纖光柵傳感技術(shù)，對(duì)橋梁上關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)變形、環(huán)境溫度分布、地下水位、結(jié)構(gòu)振動(dòng)等多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的綜合監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)，它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)橋梁在各種環(huán)境、荷載等因素作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并能有效地提供橋梁養(yǎng)護(hù)管理的科學(xué)依據(jù)，顯著提高橋梁的整體管理水平，從而能夠最大限度地確保橋梁安全運(yùn)營(yíng)，預(yù)診斷橋梁病害和延長(zhǎng)橋梁使用壽命。該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

1）準(zhǔn)分布式全光測(cè)量及傳輸。

光纖光柵傳感器本身為無(wú)源器件，傳感信號(hào)的感測(cè)及傳送均為光信號(hào)，因而監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)沒有電子設(shè)備，不受電磁干擾，無(wú)需做雷擊防護(hù)。

2）測(cè)試精度高且具有準(zhǔn)確的測(cè)點(diǎn)空間定位能力。

光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)小巧且布設(shè)距離沒有限制，可以準(zhǔn)確定位各測(cè)點(diǎn)的空間位置。實(shí)時(shí)性好，系統(tǒng)中所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的同步數(shù)據(jù)采集頻率可在毫秒級(jí)到秒級(jí)設(shè)定。

3）系統(tǒng)安裝及長(zhǎng)期使用過程中無(wú)需定標(biāo)。

光纖光柵本質(zhì)穩(wěn)定，不存在零點(diǎn)漂移。由于光纖光柵采用光中心波長(zhǎng)表征物理量測(cè)量值，屬于數(shù)字量，光源的老化衰減及傳輸光纖布設(shè)、使用過程中由于彎曲、擾動(dòng)而引入的光信號(hào)衰減不影響測(cè)量精度。光纖傳感分析儀無(wú)可動(dòng)部件，長(zhǎng)期使用無(wú)需標(biāo)定。

4）高可靠性。

光纖傳感器和傳輸線路均為石英光纖，可在惡劣溫濕度環(huán)境保持?jǐn)?shù)十年工作壽命。

橋梁健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用

4 結(jié)語(yǔ)

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)單改進(jìn)，而是運(yùn)用現(xiàn)代傳感與通信技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁運(yùn)營(yíng)階段在各種環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與行為，獲取反映結(jié)構(gòu)狀況和環(huán)境因素的各種信息，由此分析結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)、評(píng)估結(jié)構(gòu)的可靠性，為橋梁的管理與維護(hù)決策提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)對(duì)于驗(yàn)證與改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法、開發(fā)與實(shí)現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)控制技術(shù)以及深入研究大型橋梁結(jié)構(gòu)的未知問題具有重要意義。因此，健康監(jiān)測(cè)為橋梁工程的發(fā)展開辟了新的空間。