郭 玲 朱茂之

(1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510635; 2.廣州復(fù)旦奧特科技股份有限公司，廣東廣州 510660)

1 概述

隨著中國城市化進程的不斷深入，現(xiàn)代城市軌道交通里程數(shù)日益增長，其中很多都需要架設(shè)橋梁鋪設(shè)軌道運送列車，以廣州地鐵四號線為例，全長46 km，高架線路就有30 km。城市軌道交通橋梁，因其鋪設(shè)鋼軌，荷載沉重，運輸對象又都是乘客，健康監(jiān)測尤為重要，城軌橋梁一旦發(fā)生變形、垮塌等故障事故，將嚴(yán)重威脅到國家和人民的財產(chǎn)生命安全。如果能在災(zāi)難來臨之前進行預(yù)測，對橋梁的損傷進行監(jiān)測，從而對橋梁的健康狀況給出評估，那就會大大減少經(jīng)濟和人員損傷，因此橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展和運用，這項課題日益成為國內(nèi)外橋梁學(xué)術(shù)界和工程界的研究熱點[1]。

已經(jīng)建立橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的著名大橋有英國的Foyle連續(xù)鋼梁大橋[2]，美國的 Sunshine Skyway Bridge[3]，國內(nèi)的江陰大橋、徐浦大橋等，這些橋梁監(jiān)測系統(tǒng)基本上都是采用多種傳感器(甚至多達幾百個)檢測環(huán)境及橋梁結(jié)構(gòu)變化情況，通過數(shù)據(jù)分析了解橋梁的實際運營狀態(tài)。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的最終目標(biāo)[4]是對結(jié)構(gòu)的損傷位置和程度進行診斷，對橋梁的服役情況、可靠性進行智能評估，在橋梁運營狀態(tài)嚴(yán)重異常時觸發(fā)預(yù)警信號，為橋梁的維修、養(yǎng)護與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。

目前橋梁檢測主要有電測、超聲、三維激光掃描、GPS、光纖光柵等技術(shù)。其中，電測技術(shù)測量結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變變形，超聲技術(shù)能夠測量裂縫深度和混凝土強度，三維激光掃描技術(shù)可以反映橋梁的總體變形趨勢和量級，GPS進行形變識別。但是這些主流檢測技術(shù)通常只能檢測橋梁的一種狀態(tài)，而不能覆蓋所有檢測內(nèi)容，難以實現(xiàn)實時長效檢測。在這些技術(shù)手段中，只有GPS和光纖光柵技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)長期檢測，但是GPS采樣率不夠高，定位精度低，其應(yīng)用受到了限制。而光纖光柵技術(shù)因其耐久性好，靈敏度高，抗電磁干擾，可分布式測量等特點，近年來受到了橋梁檢測領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的廣泛注意。本文通過對光纖光柵傳感器的研究，介紹了一種橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用方法。

2 光纖光柵傳感器

光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)是一種新型材料[5，6]，它以光纖為媒介，當(dāng)檢測光在光纖中傳播時，因光纖的全部或部分環(huán)節(jié)所在環(huán)境(物理量、化學(xué)量等)的變化，光傳輸特性也會改變。其傳感器原理是:光柵周期改變量ΔΛ和反向耦合模的有效折射率neff主要決定了光纖光柵的波長光譜，任何使這兩個參量發(fā)生改變的物理過程都將引起光柵布拉格波長的漂移，它們與波長改變量ΔλB之間具有如下關(guān)系:

根據(jù)探測物理量的不同，可以把光纖光柵封裝成不同的傳感器，如動應(yīng)變傳感器、加速度計、靜力水準(zhǔn)儀等。

應(yīng)變引起的光柵布拉格波長漂移可用下式表示:

其中，Pe為FBG的彈光系數(shù);Ke為測量應(yīng)變的靈敏度;e為應(yīng)變量。

溫度變化引起的FBG波長漂移可用下式表示:

其中，a為FBG的熱膨脹系數(shù);ξ為FBG的熱光系數(shù);T為溫度;KT為測量溫度的靈敏度。

加速度引起的FBG波長漂移，可由動力學(xué)公式推導(dǎo)，具體推導(dǎo)公式可參考文獻[7]，結(jié)果如下:

其中，vg0為初始加速度;Ka為測量加速度的靈敏系數(shù)。

光纖光柵作為位移計的計算公式推導(dǎo)可參考文獻[8]，結(jié)果公式為:

其中，x為位移量;Kx為測量位移的靈敏系數(shù)。

由式(1)～式(5)可知，光纖光柵應(yīng)變傳感器是以光的波長移位量為最小計量單位的，目前檢測FBG波長移動的分辨率已高達pm量級，因此，光纖光柵應(yīng)變傳感器具有非常高的測量精度和電磁抗干擾能力。

3 光纖光柵技術(shù)在城軌橋梁監(jiān)測中的設(shè)計和應(yīng)用

簡支梁結(jié)構(gòu)在城軌橋梁中應(yīng)用廣泛，以廣州地鐵4號線為例，橋跨總長1 972 m，就有44孔簡支梁，5節(jié)段連續(xù)梁。因此選取兩跨典型簡支梁布設(shè)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)進行技術(shù)研究。

3.1 監(jiān)測內(nèi)容的設(shè)定

橋梁監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容的確定至關(guān)重要[9]。與城市公路高架橋梁相比，城市軌道交通高架橋梁的顯著特點是軌道系統(tǒng)的存在。針對城軌橋梁運輸?shù)奶攸c，確立城軌橋梁狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要測試結(jié)構(gòu)的受力、幾何變形和振動特性[10]。具體的測試內(nèi)容為:1)加速度測試:主要測試橋面在行車作用下的振動加速度，以及重要結(jié)構(gòu)振動加速特性，加速度測試包括豎向、橫向加速度的測試。2)動應(yīng)力測試:了解結(jié)構(gòu)在活載、溫度等各種荷載作用下的應(yīng)力或內(nèi)力狀態(tài)，動應(yīng)力測試包括橋梁結(jié)構(gòu)控制截面梁體或桿件的應(yīng)力監(jiān)測，以及橋結(jié)合部等復(fù)雜結(jié)構(gòu)局部的最不利應(yīng)力與疲勞應(yīng)力幅值的監(jiān)測。3)自振特性測試:主要測試橋梁結(jié)構(gòu)豎向、橫向前3階自頻率、振型與阻尼比，以及扭轉(zhuǎn)一階頻率、振型與阻尼比等自振特性。4)橋梁幾何位移(主要是縱向線型)測試:通常溫度、意外荷載以及混凝土收縮徐變等因素都會引起橋梁軸線位置的變化，對簡支梁結(jié)構(gòu)，一般監(jiān)測項目是主梁撓度、墩臺變位等。

因此設(shè)定監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項目見表1。

表1 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容

3.2 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

橋梁監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計見圖1。

圖1 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)包含了應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)、位移監(jiān)測子系統(tǒng)，以及加速度監(jiān)測子系統(tǒng)。前端傳感器由光纖光柵應(yīng)變傳感器、靜力水準(zhǔn)儀、加速度傳感器、溫度傳感器、車輛感應(yīng)器構(gòu)成，光纖光柵傳感器通過單芯光纜串聯(lián)后，在橋面設(shè)置光纖接續(xù)盒，引入到本地控制室的解調(diào)儀，前端傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過解調(diào)后變?yōu)閿?shù)字信號，供存儲和分析使用。同時，遠方控制室相關(guān)人員可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)得到他們關(guān)心的數(shù)據(jù)和結(jié)果。

3.3 光纖光柵傳感器的布置

由于經(jīng)濟和結(jié)構(gòu)運行狀態(tài)等方面的原因，在整座橋梁所有自由度上安置傳感器是不可能也是不現(xiàn)實的，因此，就出現(xiàn)了傳感器的優(yōu)化布設(shè)問題。通過盡可能少的傳感器來獲取最可靠而最全面的橋梁健康狀況信息，就是優(yōu)化布設(shè)的目的。采用分類型混合方法進行傳感器優(yōu)化設(shè)計:在可能最大應(yīng)變截面進行應(yīng)變傳感器布設(shè);在可能最大位移點進行位移傳感器布設(shè);通過建立橋梁三維有限元模型，得到橋梁基本動力特性，由識別誤差最小準(zhǔn)則等進行振動傳感器的布設(shè)。最終設(shè)計2跨3墩簡支梁城軌橋梁的監(jiān)測方案如下:

1)橋梁位移(即撓度)變形檢測。在兩橋梁的跨中和兩橋中間橋墩頂位置(圖2中B，D，E橫截面)梁箱布置了靜力水準(zhǔn)儀D1001，D1002，D1003(見圖3～圖5)，三水準(zhǔn)儀同側(cè)等高布置，重點考慮橋梁箱梁撓度變形監(jiān)測。橋梁恒載作用下箱梁的軸線是橋梁整體安全狀態(tài)的重要標(biāo)志之一，通過對橋梁箱梁撓度的監(jiān)測，可以從整體上把握橋梁健康和安全狀態(tài)。

2)橋梁動應(yīng)變狀態(tài)檢測。在兩橋墩間跨中截面布置應(yīng)變測點，在主梁箱內(nèi)上下板共設(shè)置了4個應(yīng)變測點 S1001，S1002，S1003和S1004，布設(shè)點盡量靠近列車線路中心。結(jié)構(gòu)應(yīng)力是判斷結(jié)構(gòu)安全最直接的指標(biāo)，結(jié)構(gòu)亞健康狀態(tài)往往將導(dǎo)致應(yīng)力超限或應(yīng)力異常重分布，所以對于應(yīng)力的異常變化應(yīng)給予足夠的重視，并結(jié)合環(huán)境、變形等其他監(jiān)測結(jié)果來綜合判定結(jié)構(gòu)狀態(tài)是否處在安全及可控的范圍。

圖2 2跨3墩簡支橋梁上監(jiān)測系統(tǒng)傳感器的布置圖

圖3 光纖光柵加速度傳感器布置圖（圖2中截面B）

圖4 光纖光柵位移傳感器布置圖（圖2中截面D）

圖5 光纖光柵應(yīng)變傳感器布置圖（圖2中截面E）

3)橋梁振動狀態(tài)檢測(加速度)。共布置加速度傳感器5個(A1001，A1002，A1003為豎向加速度傳感器，分別位于跨中，1/4跨，3/4跨處;A2001，A2002為橫向加速度傳感器，跨中和墩頂)，除A2002安裝于墩頂外其他均安裝于梁箱側(cè)壁上。

兩跨簡支梁橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器用量總結(jié)見表2。

表2 兩跨簡支梁橋梁監(jiān)測系統(tǒng)傳感器用量 個

4 結(jié)語

本文介紹了一種城軌橋梁實時在線健康監(jiān)測方法，分析了光纖光柵傳感器的特點，并介紹了兩跨簡支梁城軌橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及傳感器布設(shè)方法。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在廣州地鐵四號線示范應(yīng)用。靜力水準(zhǔn)儀的采樣頻率是1 Hz，應(yīng)變和加速度傳感器的采樣頻率是100 Hz，1個月的采樣數(shù)據(jù)接近2G，海量數(shù)據(jù)處理及橋梁狀態(tài)的綜合判斷是下一步工作的重點。應(yīng)用結(jié)果表明，光纖光柵傳感器可有效監(jiān)控橋梁狀態(tài)變化，非常適合橋梁長期監(jiān)測的需要，本文設(shè)計的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)將為研究橋梁在復(fù)雜工作環(huán)境及不確定因素下的特性變化提供有力支持，為城軌橋梁安全運營開辟新的空間。

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