桥梁健康监测——光纤光栅技术

    桥梁在建造和使用过程中，由于受到环境、有害物质的侵蚀，车辆、风、地震、疲劳、人为因素等外来作用，以及材料自身性能的不断退化，导致结构各部分在远没有达到设计年限前就产生不同程度的损伤和劣化。这些损伤如果不能及时得到检测和维修，则会影响行车安全和缩短桥梁使用寿命。

    本文首先阐述了桥梁健康监测的概念，又介绍了传统的桥梁检测方法，同时又介绍了一种新的桥梁健康监测技术——光纤光栅技术，并对比了它们的优缺点，这样就为桥梁工程的发展开辟了新的空间。

1、 桥梁健康监测的概念

    桥梁健康监测的基本内涵是根据结构的主要性能指标 （如可靠性、耐久性等），结合无损检测 （NDT）和结构特性分析（包括结构响应），从营运状态的结构中获取并处理数据，目的是为了诊断结构中是否有损伤发生，判断损伤的位置，估计损伤的程度以及损伤对结构将要造成的后果。通过对桥梁结构状态的监测与评估，为桥梁在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。

    桥梁健康监测根据桥梁结构安全性、适用性和耐久性评估的需要和桥梁管理、决策部门的信息需求，并结合目前国内的实际经济条件及桥梁现场监测条件，确定桥梁结构监测系统中实施的监测项目，以实用性、可靠性为基础，在一定程度上兼顾其先进性，并考虑到费用一效益（cost- benefit）的关系，确定各监测项目。

2、传统桥梁检测方法

    传统桥梁检测技术是通过人工目测检查或借助于便携式仪器测量得到的信息对桥梁结构的安全状态进行评估。人工桥梁检查分为经常检查、定期检查和特殊检查。但是人工桥梁检查方法在实际应用中有很大的局限性。传统检测方式的不足之处主要表现在：

1）需要大量人力、物力并有诸多检查盲点，这对现代大型桥梁尤其突出。

2）主观性强，难于量化。经过半个多世纪的发展，虽然现代斜拉桥的分析设计与施工技术已日趋完善，但对某些响应现象，尤其是损伤的发展过程，尚处于经验积累中，因此定量化的描述是很重要的。

3）缺少整体性。人工检查以单一构件为对象，只能提供局部的检测和诊断信息，而不能提供整体全面的结构健康检测和评估信息。

4）影响正常交通运行。对于较大型的桥梁通常需要搭设观察平台或用观测车辆，无可避免需要实施交通控制。

5）周期长，时效性差。大型桥梁的检查周期可达数年。在有重大事故或严重自然灾害的情况下，不能向决策者和公众提供即时信息。

    从上可知，人工桥梁检查程序和设施，无法直接和有效地应用于大型桥梁的检测上。因此有必要建立一个针对大桥的结构健康监测系统，用于监测和评估大桥在运营期间结构的安全性、耐久性和使用性等。

3、光纤光栅技术应用于桥梁监测

    光纤光栅是 20 世纪 90 年代以来国际上新兴的一种在光纤通信、光纤传感等光电子处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。光纤光栅是以光纤为基本材料，通过激光加工形成的一种特殊器件，能够对满足布拉格条件的光进行反射，在实际工程中，要检测的点如果受到应变、温度、压力、位移和加速度等变化，波长就会改变，这样通过检测波长的变化就可以检测出此点的应力状况。进而可以判断出被检测物体的安全状况。

    同传统的电传感器相比，光纤光栅传感器具有以下优势：

1）多个相同或不同类型的传感器可以串接复用在一根光纤上，系统集成度高；

2）单根光纤上串接的传感器间隔可以是几厘米或几十公里，直接实现远程传输测量精度和分辨率高；

3）传感器的零偏值不漂移，属于绝对量测量，长期工作性能稳定；

4）环境适应性好，可长期用于高温、高湿及存在化学侵蚀等的恶劣环境；

5）重量轻，体积小， 安装使用方便；

6）以光信号中心波长值表征被测量，不受光强波动及传输光纤弯曲损耗等影响。

    传感器串接链具有自愈合功能：正常工作时，只需将传感串接链的首端或尾端接到光纤光栅传感网络分析仪即可实现所有传感器信号的同时检测；一旦施工中的意外情况或其他灾害导致传感器串接链断损， 则可以将传感链的另一端也接到光纤光栅传感网络分析仪，此时以断点为界，左右两侧所有的传感器分别通过串接链的首端和尾端连接到光纤光栅传感网络分析仪进行检测，实现自愈合。

    基于光纤光栅传感系统的桥梁健康监测系统是一个以桥梁结构为平台，应用新型光纤光栅传感技术，对桥梁上关键部位的结构变形、环境温度分布、地下水位、结构振动等多项参数进行实时监测的综合监测 系统，它能够实时监测桥梁在各种环境、荷载等因素作用下的结构响应，并能有效地提供桥梁养护管理的科学依据，显著提高桥梁的整体管理水平，从而能够最大限度地确保桥梁安全运营，预诊断桥梁病害和延长桥梁使用寿命。该系统具有如下特点：

1）准分布式全光测量及传输。

光纤光栅传感器本身为无源器件，传感信号的感测及传送均为光信号，因而监测现场没有电子设备，不受电磁干扰，无需做雷击防护。

2）测试精度高且具有准确的测点空间定位能力。

光纤光栅传感器结构小巧且布设距离没有限制，可以准确定位各测点的空间位置。实时性好，系统中所有监测点的同步数据采集频率可在毫秒级到秒级设定。

3）系统安装及长期使用过程中无需定标。

光纤光栅本质稳定，不存在零点漂移。由于光纤光栅采用光中心波长表征物理量测量值，属于数字量，光源的老化衰减及传输光纤布设、使用过程中由于弯曲、扰动而引入的光信号衰减不影响测量精度。光纤传感分析仪无可动部件，长期使用无需标定。

4）高可靠性。

光纤传感器和传输线路均为石英光纤，可在恶劣温湿度环境保持数十年工作寿命。

4 结语

    桥梁结构健康监测不只是传统的桥梁检测技术的简单改进，而是运用现代传感与通信技术，实时监测桥梁运营阶段在各种环境条件下的结构响应与行为，获取反映结构状况和环境因素的各种信息，由此分析结构健康状态、评估结构的可靠性，为桥梁的管理与维护决策提供科学依据。同时，桥梁结构健康监测对于验证与改进结构设计理论与方法、开发与实现各种结构控制技术以及深入研究大型桥梁结构的未知问题具有重要意义。因此，健康监测为桥梁工程的发展开辟了新的空间。