王 謙 ，李 華

［1.中大檢測(cè)（湖南）股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.湖南高速工程咨詢有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000］

0 引言

大橋建設(shè)是一座國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈，而大橋的建設(shè)與保護(hù)又是一項(xiàng)國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的關(guān)鍵部分。所以，大橋的安全與可常性成為事關(guān)國(guó)計(jì)民生的一項(xiàng)大事。長(zhǎng)期以來，人類對(duì)橋梁的安全監(jiān)測(cè)始終以電測(cè)量方式為主。但由于電磁干擾和潮濕腐蝕使這些方式不能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間置放，因此檢測(cè)中需要臨時(shí)置放大量的電子傳感器，這不但需要巨大的人力和物資，同時(shí)需要大量經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的電子工程師。同時(shí)由于測(cè)試結(jié)果都是瞬時(shí)的，無法精確、準(zhǔn)時(shí)地預(yù)測(cè)橋梁工作狀況，所以，所得結(jié)論仍然無法達(dá)到安全的要求。歷年均有大橋坍塌的報(bào)道。若在大橋中埋設(shè)可長(zhǎng)期置放的感應(yīng)器，將可即時(shí)檢測(cè)大橋的安全情況，并采取合理安全措施避免惡性事故的出現(xiàn)。光纖傳感器由于尺寸較?。讖絻H為125μm，用于光纖傳感器的總長(zhǎng)度可短至幾毫米）、體積輕巧、不導(dǎo)電、反應(yīng)速度較快、抗腐蝕性、不受電磁射頻和閃電流等的干涉因素，而且集傳感技術(shù)和傳輸功能于一身的特殊優(yōu)勢(shì)，已成為大橋測(cè)量中的有效方式，也因此，近年來人們開始更加重視光纖傳感技術(shù)在大橋測(cè)量中的運(yùn)用，并開始研發(fā)生產(chǎn)適用于大橋測(cè)量的感應(yīng)器[1]。

1 光纖傳感技術(shù)原理

1.1 光纖傳感器

光纖傳感器一般包括三個(gè)部分，即光源、光纖和感應(yīng)器。光源負(fù)責(zé)向光纖發(fā)出光，然后通過光纜傳送到調(diào)制區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域，燈光開始和被測(cè)量的橋梁部位相互作用，從而導(dǎo)致燈光的力度、相位、頻譜、偏振狀態(tài)、波段等參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)變化，將普通光轉(zhuǎn)變成特殊信息，并通過探測(cè)器接收和解析產(chǎn)生數(shù)字匯報(bào)，而光纜則是感應(yīng)器的重要傳輸材料，既有規(guī)范和指引光傳播路線的功能，還可在適當(dāng)程度上完成光檢測(cè)任務(wù)，效率遠(yuǎn)高于其他材料。光纖的纖芯被包層、樹脂、塑料層層覆蓋，形成有效的絕緣體和保護(hù)層[2]。以材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)劃分，傳感器所用的光纜可分成玻璃光纜和塑膠光纖兩種；以折射率準(zhǔn)則劃分，則可分成階躍折射率光纜和梯度彌散折射率光纜兩個(gè)類別。

光纖傳感器一般包括節(jié)點(diǎn)型光纖傳感器、積分型光纖傳感器和分布式光纖傳感器，三者的顯著區(qū)別就是其測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度都有所不同。相較于前面的二類傳感器，分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)感應(yīng)器最常用，其基本原理是利用散射回傳的能力表示光纖通道布置的變化參數(shù)，并集成了時(shí)域反射功能、相干光頻率區(qū)域反光和非相干光頻率區(qū)域反光等關(guān)鍵技術(shù)，能在不經(jīng)過局部開窗、取芯的狀況下快速了解該橋的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)、變化規(guī)律和具體位置。

1.2 光纖傳感技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的差別

傳統(tǒng)的大橋測(cè)量與用電檢測(cè)技術(shù)主要原理是在大橋的部分重要地方裝設(shè)電阻應(yīng)變片進(jìn)行傳感檢測(cè)，并運(yùn)用電阻應(yīng)變片與大電流變化之間的變化規(guī)律進(jìn)行檢測(cè)，以幫助探測(cè)器實(shí)現(xiàn)理論分析與結(jié)果計(jì)算。它以應(yīng)變一電為基礎(chǔ)，以電信號(hào)當(dāng)作傳遞的主要媒介，并利用電線進(jìn)行傳遞信息。該種方法具有很多缺點(diǎn)：容易受到當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境的影響，如在空氣相對(duì)濕度很大時(shí)，會(huì)使電流上升，引起短路等；易于引起各類事件，如因?yàn)楦邷?、電路老化等問題引起起火、爆炸等事件。

光纖傳感器的主要傳遞媒體是光信息，傳遞工具則為光纜。比較于傳統(tǒng)感應(yīng)器，光纖傳感器從材料、分辨率、敏感度上均有了很大提高。光纜主要由絕緣媒介石英玻璃所構(gòu)成，不但可高效絕緣導(dǎo)線，而且還能耐熱和腐蝕，應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，而且，由于光纖傳感器并沒有對(duì)橋形成什么結(jié)構(gòu)性危害，因其尺寸較小、材料輕便，能對(duì)許多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的橋梁進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，并制成形狀滿足測(cè)試需要的傳感器陣列[3]。同樣，在抗干擾能力上，光纖傳感器在傳輸介質(zhì)上也占有著重要優(yōu)點(diǎn)，影響范圍大，敏感度強(qiáng)和分辨率高。

1.3 光纖傳感器的技術(shù)特點(diǎn)

光纖傳感器具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）高靈敏度，防電磁干擾。因?yàn)楣饫w傳感器測(cè)量系統(tǒng)很難接受外界的直接影響，而光信息在傳播中既沒有直接與電磁波產(chǎn)生直接影響，也不受各種電噪聲的直接影響，因此，光纖傳感器在電力的測(cè)量領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。

（2）由于光纖有很好的柔性和韌性，使得傳感器能夠按照現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要求而制成不同的形式。

（3）監(jiān)測(cè)的波段廣、動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍大。

（4）可移植性很強(qiáng)，能夠組成各種基本物理量的感應(yīng)器，包含聲場(chǎng)、電磁、壓強(qiáng)、高溫、加速率、位置、液位、流速、電壓、輻射等。

（5）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可嵌入性強(qiáng)，易于與電腦和光纜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接，便于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的遙測(cè)與管理。

2 橋梁檢測(cè)內(nèi)容

2.1 橋梁健康檢測(cè)技術(shù)的主要內(nèi)容

橋梁對(duì)于水路、陸路等的連接而言有著關(guān)鍵的作用。橋梁安全性與可靠性不僅對(duì)橋梁本身至關(guān)重要，還對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全有著重要的影響。橋梁的內(nèi)部如果出現(xiàn)損傷，勢(shì)必會(huì)造成橋梁的質(zhì)量下降，并使其不能夠安全地被使用。因此，健康檢測(cè)和安全測(cè)評(píng)是橋梁建造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)橋梁的安全使用和管理有著重要的指引作用。首先，檢測(cè)該橋梁的使用設(shè)計(jì)載荷壓力，簡(jiǎn)而言之就是逐步向檢測(cè)的橋梁添加荷載直到設(shè)計(jì)承載能力。如果在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)該橋梁沒有出現(xiàn)任何裂縫、破損、塌陷等質(zhì)量問題，橋梁應(yīng)變變形未超出理論值，說明該橋梁處于安全使用狀態(tài)。此外，在檢測(cè)過程中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)多發(fā)問題，如橋梁結(jié)構(gòu)中的鋼筋裸露、孔洞、裂縫問題等。

2.2 橋梁健康檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)評(píng)估

橋梁健康檢測(cè)技術(shù)的評(píng)估包括對(duì)橋梁內(nèi)部損傷的檢測(cè)，以及對(duì)橋梁具體性能的整體、全面的檢測(cè)，目前主要是利用光纖傳感技術(shù)來實(shí)施此項(xiàng)評(píng)估，評(píng)估過程中要注意以下兩點(diǎn)：①檢測(cè)評(píng)估橋梁主體構(gòu)架，對(duì)其品質(zhì)進(jìn)行測(cè)評(píng)檢驗(yàn)，以此測(cè)評(píng)結(jié)果判斷是否需要進(jìn)行維護(hù)修繕；②在橋梁使用過程中評(píng)估檢測(cè)其性能，以此判斷橋梁的建造是否達(dá)標(biāo)、是否符合使用要求。

3 光纖傳感技術(shù)在橋梁測(cè)量中的運(yùn)用

大橋建設(shè)是一項(xiàng)世界性的重大工程建設(shè)內(nèi)容，而國(guó)外針對(duì)大橋的健康運(yùn)行關(guān)注度也相當(dāng)高。因此，大橋測(cè)試中勢(shì)必會(huì)選用最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段來進(jìn)行。比如，在瑞士研制完成的光纜應(yīng)力變形傳感器，傳感頭就可以在混凝土構(gòu)件內(nèi)部松埋設(shè)，可任意構(gòu)件外部行固定。而為了和傳統(tǒng)光電測(cè)量技術(shù)進(jìn)行比較，1995 年智能結(jié)構(gòu)有限公司成功將光纖傳感器和傳統(tǒng)應(yīng)力片、熱電偶等應(yīng)變傳感器裝配在日內(nèi)瓦的公路大橋中，但唯有光纖傳感器可以進(jìn)行從澆筑至通行流程中混凝土穩(wěn)定的有關(guān)試驗(yàn)。而英國(guó)研發(fā)的光纖傳感器由于采用了白光干擾基本原理，有較高的準(zhǔn)確度和復(fù)制性。可以在建筑物內(nèi)部或材料表層設(shè)置或在里面埋設(shè)，以連續(xù)檢測(cè)各種應(yīng)力、孔隙壓力、裂縫等具體參數(shù)。該感應(yīng)器工作基本原理為在光纜中設(shè)定一真腔室，當(dāng)強(qiáng)光經(jīng)由傳感光纜射入腔內(nèi)時(shí)，會(huì)在真腔室二端依次進(jìn)行反射、并沿著原道折返[4]。

中國(guó)的大橋修建工作正如火如荼地進(jìn)行，尤其是甘肅西北地區(qū)，對(duì)光纖傳感技術(shù)頗為關(guān)注。自2014 年起，甘肅省政府積極對(duì)全省所有的橋梁檢測(cè)系統(tǒng)引進(jìn)光纖傳感技術(shù)，并期望以此完成信息技術(shù)的廣泛革新，保證橋梁建設(shè)的效果和質(zhì)量。光纖傳感器技術(shù)體系中引入了波段掃描工作光源，并使用兩種準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)的法布里一珀羅干涉儀，一種用作基準(zhǔn)干擾儀，另一種用作傳感干擾儀。由此完成了大規(guī)模的遠(yuǎn)距離檢測(cè)工作，并放寬了對(duì)燈光穩(wěn)定性、掃描圖像重復(fù)性等的要求，使系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離的長(zhǎng)期監(jiān)控檢測(cè)方面，比目前其他測(cè)量方法有著更大的優(yōu)越性。

3.1 檢測(cè)橋梁振動(dòng)

使用光纖傳感技術(shù)測(cè)量橋梁震動(dòng)，就可以獲取橋梁工程中整個(gè)或部分過程的震動(dòng)參數(shù)，如頻率、振幅等。檢測(cè)措施主要是：將通信光纜附著于大橋表面或埋設(shè)在大橋內(nèi)，光纜可由于大橋的震動(dòng)而產(chǎn)生振動(dòng)應(yīng)變，終端所傳輸光的一些具體參數(shù)的周期性產(chǎn)生相應(yīng)改變，而光電檢測(cè)器所接收到的光強(qiáng)值也作同樣的周期性改變，處理系統(tǒng)將所接收的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行FFT（Fast Fourier Transform）分析后，即可得到橋梁最終的振動(dòng)頻率及周期。

3.2 檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變情況

橋的內(nèi)應(yīng)力也是工程建設(shè)中能否順利通過的主要評(píng)價(jià)參數(shù)之一，在橋結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力測(cè)量上也需要做到細(xì)致入微。在當(dāng)前，橋內(nèi)應(yīng)力測(cè)量所用的常規(guī)儀器主要是F 一P 光纖感應(yīng)器和光纖布拉格光柵感應(yīng)器。前者可用作大橋局部整體施工的結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)控，而后者則可應(yīng)用于大橋施工的分布應(yīng)力和測(cè)量上。某高速公路大橋?yàn)橹袊?guó)長(zhǎng)江地區(qū)跨度最高的大橋，每天車流量密度接近四萬輛次。并利用F-P 光纖傳感器對(duì)其開展了靜、動(dòng)態(tài)測(cè)試，結(jié)果表明，光纖傳感器的最大分辨率可達(dá)0.13μ，充分符合了大橋靜、動(dòng)態(tài)的監(jiān)控條件，能非常清楚地表明不同機(jī)動(dòng)車在以同一車速經(jīng)過大橋時(shí)的大橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變化趨勢(shì)[5]。

3.3 混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)

混凝土是橋梁的筋骨，在經(jīng)歷長(zhǎng)期的腐蝕、使用后會(huì)形成裂紋等。按照破裂的程度，混凝土裂縫又可分成貫穿裂縫和深裂縫（0.2～0.3mm）兩類。貫穿裂縫的存在直接損壞大橋的總體穩(wěn)定性，極大減小了大橋的承受能力。裂紋是造成大橋倒塌事件的重要危險(xiǎn)隱患，按破損物理的研究，工程破壞是建筑構(gòu)件內(nèi)部損壞累積到一定量嚴(yán)重程度時(shí)的表現(xiàn)，也就是說裂紋是當(dāng)大橋內(nèi)部損壞已經(jīng)到達(dá)一定量危險(xiǎn)嚴(yán)重程度時(shí)釋放的一個(gè)信息，對(duì)這個(gè)信息的及時(shí)監(jiān)測(cè)可以提高對(duì)大橋的安全防范。

與傳統(tǒng)電力監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，光纖傳感技術(shù)在混凝土監(jiān)測(cè)中有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)，它能在橋梁的整體控制上進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)，從而解決了傳統(tǒng)電力監(jiān)測(cè)在控制上的空間不連續(xù)問題，且不發(fā)生漏檢、漏報(bào)等險(xiǎn)情的現(xiàn)象。光纖傳感技術(shù)的架設(shè)便捷、簡(jiǎn)單，既不對(duì)安裝部位混凝土質(zhì)量產(chǎn)生影響，也不影響混凝土的熱特性和力學(xué)參數(shù)。在測(cè)量過程中，其傳遞穩(wěn)定性能較大程度地傳遞實(shí)際的數(shù)據(jù)，同時(shí)還可與光纖傳輸系統(tǒng)集成協(xié)作，共同組成遙測(cè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

3.4 其他檢測(cè)

如今，大橋檢測(cè)項(xiàng)目很多，除了這些檢查項(xiàng)目以外，光纖傳感技術(shù)還可以運(yùn)用到對(duì)大橋的受力結(jié)構(gòu)附件的檢查上，如懸索橋主纜、吊件、系桿、拱橋系桿等的檢查；它可測(cè)定土木工程結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力或錨固結(jié)構(gòu)，如錨索、錨桿等。通過這些結(jié)構(gòu)的檢測(cè)值、尺寸和分布等變化，可以精確呈現(xiàn)橋梁的狀態(tài)，便于監(jiān)測(cè)判斷大橋使用性能。

3.5 對(duì)鋼筋腐蝕的監(jiān)測(cè)

鋼筋是混凝土構(gòu)件的主要骨架，是主承力結(jié)構(gòu)，而鋼筋的銹蝕狀況也直接決定了這個(gè)構(gòu)件的安全狀況。所以，對(duì)鋼筋的銹蝕實(shí)施長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)的監(jiān)控也是智能橋梁的一項(xiàng)主要特征。目前，人們通過沿光纜局部開窗的光纖腐蝕傳感器對(duì)鋼筋銹蝕情況實(shí)施了檢測(cè)。高頻帶光源所產(chǎn)生的光耦合進(jìn)入測(cè)試光纜后向開窗區(qū)射出，假設(shè)光纜與被腐蝕金屬（鋼筋）的間距小于10mm，通過將光信號(hào)直接照射鋼筋，光對(duì)被鋼筋表面的局部區(qū)域進(jìn)行了色彩調(diào)制，由反饋來的色彩調(diào)制信息可以采用標(biāo)準(zhǔn)分光儀傳感器傳感。輸入光的色彩改變說明銹蝕存在，在一條光纜上可以打開很多窗口，用時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)可以判斷出一條光纜不同口區(qū)返回的銹蝕信號(hào)。目前，針對(duì)混凝土構(gòu)件中鋼筋銹蝕的光纜和光纖光柵檢測(cè)和應(yīng)用研究仍比較少，且由于光纜和光纖光柵的防護(hù)問題，大部分研究成果仍處在實(shí)驗(yàn)室階段，不能實(shí)現(xiàn)大面積應(yīng)用[6]。

4 結(jié)語

綜上所述，橋梁工程可以為該地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們的日常生活工作提供便利。實(shí)際橋梁檢測(cè)效果與所有工程檢測(cè)密切相關(guān)。光纖檢測(cè)技術(shù)非常方便，不會(huì)損壞橋梁工程結(jié)構(gòu)。目前廣泛應(yīng)用于橋梁工程應(yīng)力檢測(cè)、振動(dòng)檢測(cè)和混凝土檢測(cè)，促進(jìn)了各種橋梁工程信息的收集和監(jiān)測(cè)，促進(jìn)了城市化發(fā)展。

光纖傳感器成本低，適用于遠(yuǎn)距離檢測(cè)和大型橋梁工程也可用于其他大型工程檢測(cè)。隨著光纖檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，橋梁健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)也越來越容易，這為橋梁的健康監(jiān)測(cè)提供了長(zhǎng)期而實(shí)用的依據(jù)它是安全檢測(cè)的技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，光纖檢測(cè)技術(shù)也有所幫助推動(dòng)橋梁結(jié)構(gòu)的深入研究，使橋梁設(shè)計(jì)更加合理和優(yōu)秀光纖檢測(cè)技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)和廣闊的應(yīng)用前景。