智能化光纤技术在城市桥梁预防性养护中的应用

卫文哲 张 磊 郭昌祚

(北京市道路工程质量监督站，北京 100076)

1 概述

道路的安全与畅通是城市赖以生存发展的重要基础。但是近几年国内外塌桥事件屡有发生，从2012年哈尔滨阳明滩大桥发生坍塌到去年意大利Morandi bridge斜拉桥坍塌事故，无不时刻给世人敲响着警钟。作为首都北京，其自身政治重要性不言而喻，任何安全事故的发生都会对社会产生巨大的负面影响。而自20世纪90年代，随着北京市对基础建设投资的加大，城区道路建设发展突飞猛进，尤其近年来，面临着超载现象日趋严重、桥梁量多质低、结构维修养护不及时等问题给主责单位的管理带来了挑战。

为了避免出现桥梁安全事故，必须采取监测养护措施，确保其运营安全、有序、稳定。通过近几年对北京城区环线桥梁检测大数据筛查，发现有很多共性的桥梁损伤病害，如万柳桥、西直门立交等存在网裂病害等问题；还有很多混凝土桥梁内部存在空腔，其处难以到达，致使许多病害情况不能第一手获得，构成了很大的安全隐患。按照近代力学的观点，裂缝是评价混凝土结构内部损伤程度和安全性最直接最关键的参数之一,而传统的混凝土裂缝检测技术属于单点或人工检测法，准确度虽高，但不能连续进行信息采集，存在局限性。光纤传感技术属于结构安全监测手段之一，其可以对桥梁状态进行监控，能对混凝土和钢结构的整体及关键部位进行全面有效的在线病害监测，及时准确的发现结构内外部损伤情况，并通过“互联网+”传输技术实时反馈至中控平台，以便在结构造成破坏前，能够采取行之有效的维修措施，确保结构的安全性和可靠性。

本文研究依托于某高架立交桥预防性养护项目，采用的是新型分布式光纤传感测试技术，通过智能化系统在城市桥梁预防性养护中的应用，提升桥梁管养单位的管理水平和安全保障能力，确保城市桥梁群的运营安全和长久耐用。

2 总体方案简介

2.1 方案内容

总体系统包括分布式光纤结构监测子系统、系统融合与评估子系统。

分布式光纤结构监测子系统采用分布式光纤传感技术，用于监测桥梁结构的应变、裂缝分布及变化趋势，获取桥梁结构病害信息，对结构异常部位进行预警。系统融合和评估子系统将分布式光纤裂缝监测子系统、分布式光纤应变监测子系统的监测数据进行融合，综合评价桥梁的健康状况。

2.2 分布式光纤应变监测原理

分布式光纤应变监测是一种新型光纤传感方法，可用来对结构体表面的应变量进行监测，一般由解调仪和传感光纤(光缆)两部分组成。解调仪发出泵浦光和探测光(斯托克斯光)两路光，分别从光纤的两端注入传感光纤中。当两路光的频率差落在布里渊光谱内，光纤中产生受激布里渊效应，能量从泵浦光向探测光发生转移，使探测光受到增益，背向散射的探测光的时域分布反映出光纤各位置点所受布里渊增益的情况，测得光纤各点的布里渊频移值，即可测得光纤各点所受应变。

与现有的应变(裂缝)监测技术相比，分布式光纤应变监测系统具有以下优势。

1)总体分布测量，可准确给出每个传感光缆所及的任何位置点处的应变情况，避免因理论建模推算引起的误差；

2)可对结构体的应变情况进行准确定位，方便排查异常应变处的受力情况，排查故障；

3)由于粘接采用单根光缆，一致性比点式应变监测技术更好；

4)采用通信用光缆，使应变分布监测的成本大幅下降；

5)与电阻式、振弦式等非光纤监测方案比，分布式光纤应变监测系统，实现了光电分离，传感端无需供电和无需采集设备，降低配套施工量。

2.3 光纤光栅监测原理

光纤光栅是一种性能优异的窄带反射滤波无源器件。当光波传输通过光纤布拉格光栅时，满足布拉格光纤光栅条件的光波矢将被反射回来，当布拉格光栅受到外界应力(应变)作用时，光栅周期会发生变化。利用应变或温度改变光栅中心波长(周期)，达到测试被测物理量的目的。

光纤光栅的优点:一是数字式传感，寿命长，可靠性高；二是灵敏度高，测量精度高；三是可实现大容量、远程分布式测量，有利于网络化；四是可对窄小空间和材料内部进行测量，有利于智能化。

2.4 技术路线

常用桥梁预防性养护项目研究开发基于光纤光栅和分布式光纤传感技术的桥梁结构损伤裂缝监测识别系统，借此评价桥梁结构安全状况并进行预警报警处理以确保运营安全；在此基础上通过对桥梁裂缝病害的监测、识别和分析评估，以此作为进行桥梁结构预防性养护的依据。系统结构框图如图1所示。

2.5 系统特点

桥梁结构监测识别系统具有以下特点：一是点式与分布式并行监测；二是结合光纤光栅点式和分布式光纤传感技术，既可监测大型结构关键位置处的应变、温度等信息，又可给出结构整体的变化情况；三是实时全光监测，安全可靠；四是全光传输、现场无需供电、抗电磁干扰、抗雷击；五是实时在线监测；六是工作寿命较长。

3 典型数据分析和预防性措施

3.1 第一次数据采集结果

选取六月中旬某天，进行全天测量，图2对应四段T梁的应变变化结果。

从图2可得，全天应变变化曲线中，四片梁的应变变化两端较大，中间较小，说明通车过程中，对桥梁两端的受力影响较大。

3.2 第二次数据采集结果

选取七月中旬某天，进行全天测量，图3对应的是四段T梁的应变变化结果。

从图3可得，全天应变变化曲线中，四片梁的应变变化两端较大，整体变化不大，说明当天温度变化较小，对整体应力影响较小。

3.3 两天对比结果

两天测量结果进行对比：

从图4四片梁的测试结果对比可得，整体应变变化不大，但是在桥梁的两端位置出现应变突变较大的情况，说明两端受扰动变化较大，裂缝会出现增大的情况。

3.4 测试结果分析

通过数据分析判断得出，四片梁的整体应变变化不大，但是在桥梁的两端位置会出现应变突变较大的情况，说明两端的裂缝会出现增大的情况。与现场对比可得，的确存在此种情况，梁体两端裂缝分布十分密集，分析原因可能是由于墩台伸缩缝位置由于下雨漏水的缘故，导致梁体两端钢筋锈蚀，裂缝增多。针对梁体两端裂缝的情况，后续准备采取预防性养护措施，采取相应的技术措施用于改善桥梁的系统的功能状况，减少裂缝的增长速度和出现，延长其使用寿命，提升路面服务水平。

4 结语

本文简单研究了光纤传感测试技术在城市桥梁预防性养护中的实际应用，结合典型数据分析，得到通过定期测试可发现桥梁的病害位置，最后提出针对性的预防性养护措施。以光纤物联网为基础的智能检测技术拥有预知桥梁病害的发展趋势的能力，可为桥梁预防性养护提供必要的技术支持，对延缓桥梁大修和翻建的期限，提高桥梁的使用水平和寿命，为设计、施工和管养单位决策提供参考依据。