橋梁健康監測——光纖光柵技術在橋梁檢測中的應用

橋梁在建造和使用過程中，由於受到環境、有害物質的侵蝕，車輛、風、地震、疲勞、人為因素等外來作用，以及材料自身性能的不斷退化，導致結構各部分在遠沒有達到設計年限前就產生不同程度的損傷和劣化。這些損傷如果不能及時得到檢測和維修，則會影響行車安全和縮短橋梁使用壽命。

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橋梁健康監測應用

本文首先闡述了橋梁健康監測的概念，又介紹了傳統的橋梁檢測方法，同時又介紹了一種新的橋梁健康監測技術——光纖光柵技術，並對比了它們的優缺點，這樣就為橋梁工程的發展開闢了新的空間。

1 橋梁健康監測的概念

橋梁健康監測的基本內涵是根據結構的主要性能指標 （如可靠性、耐久性等），結合無損檢測 （NDT）和結構特性分析（包括結構響應），從營運狀態的結構中獲取並處理數據，目的是為了診斷結構中是否有損傷發生，判斷損傷的位置，估計損傷的程度以及損傷對結構將要造成的後果。通過對橋梁結構狀態的監測與評估，為橋梁在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發預警信號，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導。

橋梁健康監測根據橋梁結構安全性、適用性和耐久性評估的需要和橋梁管理、決策部門的信息需求，並結合目前國內的實際經濟條件及橋梁現場監測條件，確定橋梁結構監測系統中實施的監測項目，以實用性、可靠性為基礎，在一定程度上兼顧其先進性，並考慮到費用一效益（cost- benefit）的關係，確定各監測項目。

2 傳統橋梁檢測方法

傳統橋梁檢測技術是通過人工目測檢查或藉助於可攜式儀器測量得到的信息對橋梁結構的安全狀態進行評估。人工橋梁檢查分為經常檢查、定期檢查和特殊檢查。但是人工橋梁檢查方法在實際應用中有很大的局限性。傳統檢測方式的不足之處主要表現在：

1）需要大量人力、物力並有諸多檢查盲點，這對現代大型橋梁尤其突出。

2）主觀性強，難於量化。經過半個多世紀的發展，雖然現代斜拉橋的分析設計與施工技術已日趨完善，但對某些響應現象，尤其是損傷的發展過程，尚處於經驗積累中，因此定量化的描述是很重要的。

3）缺少整體性。人工檢查以單一構件為對象，只能提供局部的檢測和診斷信息，而不能提供整體全面的結構健康檢測和評估信息。

4）影響正常交通運行。對於較大型的橋梁通常需要搭設觀察平臺或用觀測車輛，無可避免需要實施交通控制。

5）周期長，時效性差。大型橋梁的檢查周期可達數年。在有重大事故或嚴重自然災害的情況下，不能向決策者和公眾提供即時信息。

從上可知，人工橋梁檢查程序和設施，無法直接和有效地應用於大型橋梁的檢測上。因此有必要建立一個針對大橋的結構健康監測系統，用於監測和評估大橋在運營期間結構的安全性、耐久性和使用性等。

橋梁健康監測應用

3 光纖光柵技術應用於橋梁監測

光纖光柵是 20 世紀 90 年代以來國際上新興的一種在光纖通信、光纖傳感等光電子處理領域有著廣泛應用前景的基礎性光纖器件。光纖光柵是以光纖為基本材料，通過雷射加工形成的一種特殊器件，能夠對滿足布拉格條件的光進行反射，在實際工程中，要檢測的點如果受到應變、溫度、壓力、位移和加速度等變化，波長就會改變，這樣通過檢測波長的變化就可以檢測出此點的應力狀況。進而可以判斷出被檢測物體的安全狀況。

同傳統的電傳感器相比，光纖光柵傳感器具有以下優勢：

1）多個相同或不同類型的傳感器可以串接復用在一根光纖上，系統集成度高；

2）單根光纖上串接的傳感器間隔可以是幾釐米或幾十公裡，直接實現遠程傳輸測量精度和解析度高；

3）傳感器的零偏值不漂移，屬於絕對量測量，長期工作性能穩定；

4）環境適應性好，可長期用於高溫、高溼及存在化學侵蝕等的惡劣環境；

5）重量輕，體積小， 安裝使用方便；

6）以光信號中心波長值表徵被測量，不受光強波動及傳輸光纖彎曲損耗等影響。

傳感器串接鏈具有自癒合功能：正常工作時，只需將傳感串接鏈的首端或尾端接到光纖光柵傳感網絡分析儀即可實現所有傳感器信號的同時檢測；一旦施工中的意外情況或其他災害導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絡分析儀，此時以斷點為界，左右兩側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絡分析儀進行檢測，實現自癒合。

基於光纖光柵傳感系統的橋梁健康監測系統是一個以橋梁結構為平臺，應用新型光纖光柵傳感技術，對橋梁上關鍵部位的結構變形、環境溫度分布、地下水位、結構振動等多項參數進行實時監測的綜合監測 系統，它能夠實時監測橋梁在各種環境、荷載等因素作用下的結構響應，並能有效地提供橋梁養護管理的科學依據，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營，預診斷橋梁病害和延長橋梁使用壽命。該系統具有如下特點：

1）準分布式全光測量及傳輸。

光纖光柵傳感器本身為無源器件，傳感信號的感測及傳送均為光信號，因而監測現場沒有電子設備，不受電磁幹擾，無需做雷擊防護。

2）測試精度高且具有準確的測點空間定位能力。

光纖光柵傳感器結構小巧且布設距離沒有限制，可以準確定位各測點的空間位置。實時性好，系統中所有監測點的同步數據採集頻率可在毫秒級到秒級設定。

3）系統安裝及長期使用過程中無需定標。

光纖光柵本質穩定，不存在零點漂移。由於光纖光柵採用光中心波長表徵物理量測量值，屬於數字量，光源的老化衰減及傳輸光纖布設、使用過程中由於彎曲、擾動而引入的光信號衰減不影響測量精度。光纖傳感分析儀無可動部件，長期使用無需標定。

4）高可靠性。

光纖傳感器和傳輸線路均為石英光纖，可在惡劣溫溼度環境保持數十年工作壽命。

橋梁健康監測應用

4 結語

橋梁結構健康監測不只是傳統的橋梁檢測技術的簡單改進，而是運用現代傳感與通信技術，實時監測橋梁運營階段在各種環境條件下的結構響應與行為，獲取反映結構狀況和環境因素的各種信息，由此分析結構健康狀態、評估結構的可靠性，為橋梁的管理與維護決策提供科學依據。同時，橋梁結構健康監測對於驗證與改進結構設計理論與方法、開發與實現各種結構控制技術以及深入研究大型橋梁結構的未知問題具有重要意義。因此，健康監測為橋梁工程的發展開闢了新的空間。