大型鋼管混凝土拱橋的光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1

1、西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目合同號(hào)：2001 318 000 89大型鋼管混凝土拱橋的光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究報(bào)告簡(jiǎn)本四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院四 川 大 學(xué)四川路橋建設(shè)股份有限公司2004年12月1.研究目的意義我國(guó)鋼管混凝土拱橋的建設(shè)發(fā)展迅速，跨度和規(guī)模越來(lái)越大，在國(guó)際上居于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊，但其受力機(jī)理尚不夠清楚，滿載超載和壽命運(yùn)行的極限考驗(yàn)尚屬空白，特別是管內(nèi)混凝土的脫空、裂縫對(duì)鋼管與混凝土共同作用以及工程安全的影響，受到工程界普遍關(guān)注。然而，管內(nèi)混凝土脫空、裂縫這一類質(zhì)量缺陷和損壞，由于其隱蔽性和發(fā)生發(fā)展的時(shí)空隨機(jī)性，其有效檢測(cè)（不漏測(cè)、定量）的技術(shù)難度很高，是該橋型國(guó)內(nèi)外迄今尚未

2、解決的技術(shù)關(guān)鍵之一，它直接關(guān)系到工程質(zhì)量和工程安全。為此，針對(duì)我國(guó)交通建設(shè)和橋梁科技的迫切需要，遵循跨越式發(fā)展的方針，研制了大型鋼管混凝土拱橋的分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)和系統(tǒng)，運(yùn)用高科技手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)管內(nèi)混凝土脫空、裂縫的大范圍、定量化長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)（涵蓋施工期、運(yùn)營(yíng)期），及時(shí)做出安全評(píng)價(jià)，防患未然，進(jìn)而查明套箍作用的規(guī)律，完善設(shè)計(jì)理論，提高我國(guó)鋼管混凝土拱橋的科技水平，是一項(xiàng)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和無(wú)損檢測(cè)的先進(jìn)的高端技術(shù)。2.國(guó)內(nèi)外研究概況橋梁健康監(jiān)測(cè)是國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)，具有明顯的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。其常規(guī)檢測(cè)器屬于點(diǎn)式電測(cè)儀器，而最新發(fā)展則是光纖傳感器，其中分布式光纖傳感屬尖端技術(shù)，可構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢

3、測(cè)而不致漏測(cè)，但限于溫度監(jiān)測(cè)，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)監(jiān)測(cè)鋼管內(nèi)混凝土脫空的分布式光纖系統(tǒng)。3.主要研究?jī)?nèi)容及實(shí)施方案主要研究?jī)?nèi)容包括：（1）分布式非正交光纖脫空傳感技術(shù)；（2）傳感光纖優(yōu)化組合；（3）光纖-混凝土復(fù)合體的細(xì)觀力學(xué)分析理論和數(shù)值模擬；（4）脫空傳感光纖的力-光本構(gòu)關(guān)系和試驗(yàn)；（5）傳感光纖定位保護(hù)工藝構(gòu)造的試驗(yàn)研制；（6）研制光纖系統(tǒng)的工程應(yīng)用研究路線是試驗(yàn)研究與理論分析密切結(jié)合，以試驗(yàn)為主；室內(nèi)試驗(yàn)和工程現(xiàn)場(chǎng)密切結(jié)合，以現(xiàn)場(chǎng)工作為主。項(xiàng)目依托工程為巫峽長(zhǎng)江大橋，組合跨徑492m（凈跨460m），為當(dāng)今該橋型的“世界第一跨”，主拱圈8×1220mm，2004年底竣工，見(jiàn)照片1。照片

4、14.關(guān)鍵技術(shù)4.1分布式非正交光纖脫空傳感技術(shù)沿光纖傳播的光波導(dǎo)沿程各點(diǎn)都會(huì)有能量損耗，其中最主要的本征瑞利散射光的控制方程為：x1P(x)=VS(x)(x)exp-2f(x')+b(x')dx'20 （1）V光式中P為光功率，x散射點(diǎn)沿程距離；S(x)后向散射光捕獲比；波導(dǎo)群速；f(x)和b(x)各為光纖前向、后向衰減系數(shù)，(x)光纖輻射系數(shù)。光纖布置成與鋼管壁有一定夾角（非正交構(gòu)型），當(dāng)交界面處脫空生成時(shí)，混凝土牽動(dòng)光纖（對(duì)光纖施加拉剪力）致使出現(xiàn)微彎和相應(yīng)的局部高損耗。首次提出檢測(cè)管內(nèi)混凝土脫空的非正交光纖傳感構(gòu)型以實(shí)現(xiàn)力-光直接轉(zhuǎn)換機(jī)制。它是基于瑞利散射原理的

5、微彎效應(yīng)型光纖傳感技術(shù)，由混凝土脫空（或裂縫）直接生成光波導(dǎo)的微彎損耗，如圖1。利用OTDR（光時(shí)域反射儀）對(duì)后向瑞利散射光加以接收、分析，得出衰減波形和脫空（或裂縫）的微彎損耗值，按光學(xué)雷達(dá)原理予以定位。4.2傳感光纖優(yōu)化組合 (a)脫空傳感光纖布置 (b)脫空出現(xiàn)后光纖形態(tài) 圖1. 脫空傳感的微彎調(diào)制(-夾角 h-脫空值)試驗(yàn)表明，光纖傳感的靈敏度、可靠性、量程和存活率等基本性能與光纖涂覆層密切相關(guān)。為此，構(gòu)建了優(yōu)化組合傳感光纖，即涂覆層厚薄各異的數(shù)種光纖，加以優(yōu)化組合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同構(gòu)成一條傳感光路，以顯著提高其綜合性能。采用試驗(yàn)測(cè)試并配合以理論計(jì)算，優(yōu)選和研究了三種光纖：型：10/12

6、5/250um單模光纖；個(gè)界面，在復(fù)合體變形過(guò)程中，遵從摩爾庫(kù)侖理論，且屬于摩擦接觸面。彈性摩擦接觸問(wèn)題的定解條件即雙界面的接觸條件可表述為以下三種類型：(1)界面粘合(a)2+(b)2fn，(dua)2+(dub)2=0 (2)式中， n,a,b表示接觸面的接觸應(yīng)力分量；f為摩擦系數(shù)。(2)界面滑動(dòng)(a)2+(b)2=fn，(dua)2+(dub)20 (3)(3)界面脫開(kāi)un>0 n=0, (4)此問(wèn)題采用基于增廣拉格朗日乘子法的非線性有限元方法求解，用知名軟件ANSYS實(shí)現(xiàn)。光纖與混凝土的破裂面（脫空面或開(kāi)裂面）斜交時(shí)，混凝土破裂時(shí)光纖受拉伸-剪切復(fù)合力的作用。數(shù)值分析可知，裸光纖

7、內(nèi)應(yīng)力集中明顯，最大拉應(yīng)變區(qū)出現(xiàn)在光纖下緣與混凝土楔尖接觸處；雙界面出現(xiàn)脫開(kāi)、滑動(dòng)，所得沿光纖軸剖面的應(yīng)力場(chǎng)如圖3。圖3. 光纖-砼復(fù)合體承受拉剪作用的應(yīng)力場(chǎng)纖芯達(dá)到極限應(yīng)變時(shí)的位移量即為該型傳感光纖的量程。型、型光纖的計(jì)算量程各為0.8mm、4.8mm,其試驗(yàn)值各為1.1mm，3.2mm，二者基本相符，規(guī)律性一致，這些結(jié)果初步驗(yàn)證了雙界面細(xì)觀力學(xué)模型和這一理論工具的有效性。4.4組合傳感光纖的力-光本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)和技術(shù)性能用光纖監(jiān)測(cè)混凝土破裂變形的依據(jù)在于力學(xué)量生成光學(xué)量的具體規(guī)律和二者間的量化關(guān)系，為此首次提出了傳感光纖的力-光本構(gòu)關(guān)系的科學(xué)概念，并完成兩類試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，光纖-混凝土復(fù)

8、合體的彈性場(chǎng)與光波導(dǎo)雙場(chǎng)耦合作用中，光損耗的主要影響因子為斷裂變形量(脫空值或縫寬)、光纖與斷裂面的夾角（或微彎狀態(tài)）、光纖類型、混凝土力學(xué)特性等。按數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得半經(jīng)驗(yàn)型脫空監(jiān)測(cè)的力-光本構(gòu)關(guān)系方程：D=C1ctghc2sin (5)式中，h為脫空值，C1,C2為統(tǒng)計(jì)回歸參數(shù)。試驗(yàn)測(cè)定的光纖脫空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要技術(shù)性能如下：4.5傳感光纖定位保護(hù)構(gòu)造工藝傳感光纖布設(shè)在鋼管內(nèi)，施工中要經(jīng)受泵送混凝土的高壓流動(dòng)沖擊，這要求光纖安裝方式需實(shí)現(xiàn)光纖與混凝土之間的界面相容、工藝相容、場(chǎng)相容，即應(yīng)準(zhǔn)確定位，布設(shè)便捷；光纖存活率高。為此，進(jìn)行兩種試驗(yàn)研制光纖安裝保護(hù)構(gòu)造工藝，結(jié)果得到脫空傳感光纖的布設(shè)保護(hù)型式

9、如圖4。圖4. 傳感光纖及其定位布置型式 4.6工程應(yīng)用與驗(yàn)證研制的光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于巫峽長(zhǎng)江大橋的健康監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)檢測(cè)拱頂區(qū)域、1/4拱處、拱腳的脫空以及后兩區(qū)的裂縫。該橋于2003年12月完成光纖安裝、混凝土灌注、光纖系統(tǒng)鏈接總調(diào)試以及初始場(chǎng)檢測(cè)。至2004年4月完成4次光纖系統(tǒng)實(shí)測(cè)。每次都隨即報(bào)出脫空測(cè)值、分布狀態(tài)及發(fā)展過(guò)程（未測(cè)到裂縫）。其后，該橋進(jìn)行了超聲法和鉆孔檢測(cè)。三種結(jié)果的典型對(duì)比見(jiàn)圖5。光纖檢測(cè)結(jié)果與超聲定性相符，趨勢(shì)接近；特別是與鉆孔檢測(cè)基本吻合，而鉆孔檢測(cè)是最直接、最可靠的結(jié)果；實(shí)測(cè)成果和性能，就得到了大型鋼管混凝土拱橋首次工程實(shí)踐的證實(shí)，令人信服的證實(shí)了光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的

10、科學(xué)性、有效性和工程應(yīng)用價(jià)值。脫空值(mm)2.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.20.0-0.25.試驗(yàn)與分析5.1傳感光纖力-光本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)采用混凝土模型和大比尺鋼管混凝土節(jié)段兩種試驗(yàn)測(cè)定本構(gòu)關(guān)系。對(duì)前者構(gòu)建了數(shù)字化、全自動(dòng)控制的高精度力-光耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，以保證試驗(yàn)中力學(xué)、光學(xué)兩種信號(hào)的同步、完整、精密采集。照片2顯示系統(tǒng)全景。其力學(xué)子系統(tǒng)采用全數(shù)字化剛性壓力機(jī)MTS 815 Teststar巖石-混凝土試驗(yàn)系統(tǒng)。光學(xué)子系統(tǒng)以PC機(jī)為監(jiān)測(cè)平臺(tái)，高精度投射式檢測(cè)與反射式檢測(cè)相結(jié)合。照片2. 力-光耦合試驗(yàn)系統(tǒng)全景大比尺鋼管混凝土節(jié)段試驗(yàn)選用了預(yù)應(yīng)變可控釋放方法生成脫

11、空，預(yù)應(yīng)變釋放中，同步測(cè)取力學(xué)-光學(xué)信號(hào)，試驗(yàn)直觀可信。本構(gòu)關(guān)系模型試驗(yàn)的典型結(jié)果如圖6所示，規(guī)律性較好，表明光衰減量可作為脫空量的有效信息載體。光衰減(dB) 脫空開(kāi)度(mm)圖6. 脫空量-光衰減試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線5.2傳感光纖安裝保護(hù)構(gòu)造工藝試驗(yàn)先期進(jìn)行了陡槽沖擊試驗(yàn)，結(jié)果混凝土料下滑速度難以調(diào)控。為攻克安裝保護(hù)這一工藝難點(diǎn)，改用規(guī)模較大的露天仿真試驗(yàn)，混凝土拌和泵送作業(yè)均采用工程機(jī)械，以求最大限度再現(xiàn)實(shí)橋作業(yè)狀態(tài)，優(yōu)選、檢驗(yàn)保護(hù)構(gòu)造的效果，達(dá)到了預(yù)期目的。5.3實(shí)橋光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝調(diào)試作業(yè)傳感光纖在鋼管節(jié)段內(nèi)的安裝在鋼管加工廠內(nèi)進(jìn)行，2004年春完成。鋼管節(jié)段運(yùn)至巫峽長(zhǎng)江大橋現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)合

12、攏至灌注混凝土，非正常停工約9個(gè)月。期間光纖在各節(jié)段出口處遭到人為意外損壞，包括保護(hù)箱被撬、燒烤等。當(dāng)不計(jì)入意外人為損壞的非技術(shù)因素，光纖存活率為75.3。 基于實(shí)橋的作業(yè)實(shí)踐，初擬了“光纖安裝技術(shù)規(guī)程”，提出了把光纖系統(tǒng)納入業(yè)主、施工、監(jiān)理的責(zé)任范圍以及焊牢保護(hù)箱蓋等有效措施，可望提高存活率。5.4實(shí)橋光纖系統(tǒng)監(jiān)測(cè)作業(yè)混凝土灌注完成后即以O(shè)TDR采集初始場(chǎng)（零場(chǎng)），由其后進(jìn)行的脫空監(jiān)測(cè)場(chǎng)得到由脫空引起的衰減增量，據(jù)式（5），脫空量由下式計(jì)算h=2sintgdi1 （6）式中：h為脫空量；d為每個(gè)傳感波形相較檢測(cè)初始場(chǎng)平均損耗增量。OTDR現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)波形圖如圖7所示。圖7. OTDR現(xiàn)場(chǎng)脫空檢測(cè)

13、波形圖示意6.項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益及推廣應(yīng)用前景在施工期可無(wú)遺漏的測(cè)出混凝土脫空及裂縫損傷，為工程質(zhì)量評(píng)價(jià)和補(bǔ)救措施提供真實(shí)信息，避免安全事故，巫峽長(zhǎng)江大橋根據(jù)監(jiān)測(cè)到的大范圍脫空狀況，進(jìn)行灌漿處理，提高了安全度。運(yùn)營(yíng)期可繼續(xù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，掌握大橋真實(shí)性狀，及時(shí)維修，延長(zhǎng)運(yùn)營(yíng)時(shí)間，節(jié)省維護(hù)費(fèi)，防患未然，進(jìn)而提高該橋型的科技發(fā)展。成果屬于健康監(jiān)測(cè)的高科技高端產(chǎn)品，先進(jìn)性顯著，性價(jià)比高，推廣應(yīng)用前景廣闊。7.結(jié)束語(yǔ)（1）在國(guó)內(nèi)外首次提出并研制成功鋼管混凝土的分布式光纖脫空監(jiān)測(cè)技術(shù)和系統(tǒng)，其光纖非正交構(gòu)型和優(yōu)化組合兩項(xiàng)核心技術(shù)具有原創(chuàng)性，可實(shí)施對(duì)管內(nèi)混凝土脫空及裂縫的定量化、無(wú)遺漏監(jiān)測(cè)，性能優(yōu)異，具有工程實(shí)用價(jià)值。（2）提出了光纖-混凝土復(fù)合體的力-光本構(gòu)模型的科學(xué)概念，用試驗(yàn)測(cè)定力-光本構(gòu)方程，據(jù)此可計(jì)算確定脫空值，且得到實(shí)橋工程驗(yàn)證。（3）提出了光纖-混凝土復(fù)合體細(xì)觀力學(xué)分析的雙界面理論模型和三維非線性有限元方法，計(jì)算的光纖量程與試驗(yàn)值基本相符。這為本系統(tǒng)提供了力學(xué)理論基礎(chǔ)和理論工具。（4）用工程機(jī)械進(jìn)行仿真試驗(yàn)研制光纖