1、西部交通建设科技项目合同号：2001 318 000 89 大型钢管混凝土拱桥的光纤传感监测系统研究报告简本四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四 川 大 学四川路桥建设股份有限公司2004 年 12 月1.研究目的意义我国钢管混凝土拱桥的建设发展迅速，跨度和规模越来越大，在国际上居于绝对优势，应用前景广阔，但其受力机理尚不够清楚，满载超载和寿命运行的极限考验尚属空白，特别是管内混凝土的脱空、裂缝对钢管与混凝土共同作用以及工程安全的影响，受到工程界普遍关注。然而，管内混凝土脱空、裂缝这一类质量缺陷和损坏，由于其隐蔽性和发生发展的时空随机性，其有效检测（不漏测、定量）的技术难度很高，是该桥型国内外
2、迄今尚未解决的技术关键之一，它直接关系到工程质量和工程安全。为此，针对我国交通建设和桥梁科技的迫切需要，遵循跨越式发展的方针，研制了大型钢管混凝土拱桥的分布式光纤传感监测技术和系统，运用高科技手段，实现对管内混凝土脱空、裂缝的大范围、定量化长期监测（涵盖施工期、运营期） ，及时做出安全评价，防患未然，进而查明套箍作用的规律，完善设计理论，提高我国钢管混凝土拱桥的科技水平，是一项桥梁结构健康监测和无损检测的先进的高端技术。2.国内外研究概况桥梁健康监测是国内外的发展趋势，具有明显的经济、社会效益。其常规检测器属于点式电测仪器，而最新发展则是光纤传感器，其中分布式光纤传感属尖端技术，可构成传感网络
3、实现连续检测而不致漏测，但限于温度监测，国内外尚无监测钢管内混凝土脱空的分布式光纤系统。3.主要研究内容及实施方案主要研究内容包括：（1）分布式非正交光纤脱空传感技术；（2）传感光纤优化组合；（3）光纤-混凝土复合体的细观力学分析理论和数值模拟；（4）脱空传感光纤的力-光本构关系和试验；（5）传感光纤定位保护工艺构造的试验研制；（6）研制光纤系统的工程应用研究路线是试验研究与理论分析密切结合，以试验为主；室内试验和工程现场密切结合，以现场工作为主。项目依托工程为巫峡长江大桥，组合跨径 492m（净跨 460m） ，为当今该桥型的“世界第一跨” ，主拱圈 81220mm，2004 年底竣工，见照
4、片 1。照片 14.关键技术4.1 分布式非正交光纤脱空传感技术沿光纤传播的光波导沿程各点都会有能量损耗，其中最主要的本征传 感 光 纤混 凝 土钢 管 壁 h瑞利散射光的控制方程为： （1）xbfxdxVSP0)(2ep)(21)( 式中 为光功率， 散射点沿程距离； 后向散射光捕获比；S光波导群速； 和 各为光纤前向、后向衰减系数， 光V)(xf)(b )(x纤辐射系数。光纤布置成与钢管壁有一定夹角（非正交构型） ，当交界面处脱空生成时，混凝土牵动光纤（对光纤施加拉剪力）致使出现微弯和相应的局部高损耗。首次提出检测管内混凝土脱空的非正交光纤传感构型以实现力-光直接转换机制。它是基于瑞利散射
5、原理的微弯效应型光纤传感技术，由混凝土脱空（或裂缝）直接生成光波导的微弯损耗，如图 1。利用 OTDR（光时域反射仪）对后向瑞利散射光加以接收、分析，得出衰减波形和脱空（或裂缝）的微弯损耗值，按光学雷达原理予以定位。4.2 传感光纤优化组合试验表明，光纤传感的灵敏度、可靠性、量程和存活率等基本性能与光纤涂覆层密切相关。为此，构建了优化组合传感光纤，即涂覆层厚(a)脱空传感光纤布置 (b)脱空出现后光纤形态图 1. 脱空传感的微弯调制(- 夹角 h-脱空值)薄各异的数种光纤，加以优化组合，优势互补，共同构成一条传感光路，以显著提高其综合性能。采用试验测试并配合以理论计算，优选和研究了三种光纤：型
6、：10/125/250um 单模光纤；型：10/125/900um 紧套单模光纤；型：10/125/600um 紧套单模光纤。型光纤灵敏，而型光纤量程大，型性能介乎两者之间。综上，钢管混凝土拱桥的分布式光纤传感监测系统的主要组成如图2。需要时，可由 inter 网，双绞线、无线通讯等方式实现遥测。此系统具有大范围、长期、定量检测功能，可对全拱任何一处随机出现的脱空（或裂缝）测定其脱空值（或缝宽） 、部位、空间分布和发展过程。4.3 光纤监测系统的细观力学分析和非线性有限元方法光纤混凝土的传感机理基于光纤-混凝土复合体的力-光耦合作用，在力学上属于细观力学范畴。复合体内包含混凝土-涂覆、涂覆-石
7、英光纤两个界面，在复合体变形过程中，遵从摩尔库仑理论，且属于摩擦接触面。弹性摩擦接触问题的定解条件即双界面的接触条件可表述为以下三种类型：(1)界面粘合， (2)nbaf22)( 0)()(22badu令GPIB令令令图 2. 分布式光纤监测系统控制流程图式中， 表示接触面的接触应力分量； 为摩擦系数。ban, f(2)界面滑动， (3)nbaf22)( 0)()(22badu(3)界面脱开(4),0nn此问题采用基于增广拉格朗日乘子法的非线性有限元方法求解，用知名软件 ANSYS 实现。光纤与混凝土的破裂面（脱空面或开裂面）斜交时，混凝土破裂时光纤受拉伸-剪切复合力的作用。数值分析可知，裸光
8、纤内应力集中明显，最大拉应变区出现在光纤下缘与混凝土楔尖接触处；双界面出现脱开、滑动，所得沿光纤轴剖面的应力场如图 3。纤芯达到极限应变时的位移量即为该型传感光纤的量程。型、型光纤的计算量程各为 0.8mm、4.8mm,其试验值各为 1.1mm，3.2mm，二图 3. 光纤-砼复合体承受拉剪作用的应力场者基本相符，规律性一致，这些结果初步验证了双界面细观力学模型和这一理论工具的有效性。4.4 组合传感光纤的力-光本构关系试验和技术性能用光纤监测混凝土破裂变形的依据在于力学量生成光学量的具体规律和二者间的量化关系，为此首次提出了传感光纤的力-光本构关系的科学概念，并完成两类试验。试验结果表明，光
9、纤-混凝土复合体的弹性场与光波导双场耦合作用中，光损耗的主要影响因子为断裂变形量(脱空值或缝宽)、光纤与断裂面的夹角（或微弯状态） 、光纤类型、混凝土力学特性等。按数据统计，得半经验型脱空监测的力-光本构关系方程：(5)sin12chtgCD式中， 为脱空值， 为统计回归参数。h21,试验测定的光纤脱空监测系统的主要技术性能如下：性能 传感型式 脱空值分辨率/mm 灵敏阈 /mm 定位精度/m 量程 /mm指标 分布式 0.02 0.1 0.2 4.84.5 传感光纤定位保护构造工艺传感光纤布设在钢管内，施工中要经受泵送混凝土的高压流动冲击，这要求光纤安装方式需实现光纤与混凝土之间的界面相容、
10、工艺相容、场相容，即应准确定位，布设便捷；光纤存活率高。为此，进行两种试验研制光纤安装保护构造工艺，结果得到脱空传感光纤的布设保护型式如图 4。 混 凝 土 灌 注 方 向 金 属 保 护 件传 感 光 纤 支 撑 钢 柱管 壁 金 属 保 护 件图 4. 传感光纤及其定位布置型式4.6 工程应用与验证研制的光纤传感监测系统应用于巫峡长江大桥的健康监测，重点检测拱顶区域、1/4 拱处、拱脚的脱空以及后两区的裂缝。该桥于 2003年 12 月完成光纤安装、混凝土灌注、光纤系统链接总调试以及初始场检测。至 2004 年 4 月完成 4 次光纤系统实测。每次都随即报出脱空测值、分布状态及发展过程（未
11、测到裂缝） 。其后，该桥进行了超声法和钻孔检测。三种结果的典型对比见图 5。光纤检测结果与超声定性相符，趋势接近；特别是与钻孔检测基本吻合，而钻孔检测是最直接、最可靠的结果；实测成果和性能，就得到了大型钢管混凝土拱桥首次工程实践的证实，令人信服的证实了光纤监测系统的科学性、有效性和工程应用价值。5.试验与分析5.1 传感光纤力-光本构关系试验采用混凝土模型和大比尺钢管混凝土节段两种试验测定本构关系。图 5. 主拱肋 6 号管拱顶区域脱空空间分布状态024681012141618202-0.2.0.2.40.6.81.0.21.4.61.82.0. 超 声 评 估 脱 空 上 限 超 声 评 估
12、 脱 空 下 限 钻 孔 结 果钻 孔 测 值光 纤 测 值脱空值(m) 长 度 (m) 超 声 评 估脱 空 范 围 中 间 值对前者构建了数字化、全自动控制的高精度力-光耦合试验系统，以保证试验中力学、光学两种信号的同步、完整、精密采集。照片 2 显示系统全景。其力学子系统采用全数字化刚性压力机MTS 815 Teststar岩石-混凝土试验系统。光学子系统以 PC 机为监测平台，高精度投射式检测与反射式检测相结合。大比尺钢管混凝土节段试验选用了预应变可控释放方法生成脱空，预应变释放中，同步测取力学-光学信号，试验直观可信。本构关系模型试验的典型结果如图 6 所示，规律性较好，表明光衰减量
13、可作为脱空量的有效信息载体。01234560.10.1110 型 型光衰减(dB)脱 空 开 度 (m)图 6. 脱空量-光衰减试验数据与拟合曲线照片 2. 力-光耦合试验系统全景5.2 传感光纤安装保护构造工艺试验先期进行了陡槽冲击试验，结果混凝土料下滑速度难以调控。为攻克安装保护这一工艺难点，改用规模较大的露天仿真试验，混凝土拌和泵送作业均采用工程机械，以求最大限度再现实桥作业状态，优选、检验保护构造的效果，达到了预期目的。5.3 实桥光纤监测系统安装调试作业传感光纤在钢管节段内的安装在钢管加工厂内进行，2004 年春完成。钢管节段运至巫峡长江大桥现场架设合拢至灌注混凝土，非正常停工约9
14、个月。期间光纤在各节段出口处遭到人为意外损坏，包括保护箱被撬、烧烤等。当不计入意外人为损坏的非技术因素，光纤存活率为75.3。基于实桥的作业实践，初拟了“光纤安装技术规程” ，提出了把光纤系统纳入业主、施工、监理的责任范围以及焊牢保护箱盖等有效措施，可望提高存活率。5.4 实桥光纤系统监测作业混凝土灌注完成后即以 OTDR 采集初始场（零场） ，由其后进行的脱空监测场得到由脱空引起的衰减增量，据式（5） ，脱空量由下式计算（6）sin12idtgh式中： 为脱空量； 为每个传感波形相较检测初始场平均损耗增量。hdOTDR 现场检测波形图如图 7 所示。6.项目的经济、社会效益及推广应用前景在施
15、工期可无遗漏的测出混凝土脱空及裂缝损伤，为工程质量评价和补救措施提供真实信息，避免安全事故，巫峡长江大桥根据监测到的大范围脱空状况，进行灌浆处理，提高了安全度。运营期可继续长期监测，掌握大桥真实性状，及时维修，延长运营时间，节省维护费，防患未然，进而提高该桥型的科技发展。成果属于健康监测的高科技高端产品，先进性显著，性价比高，推广应用前景广阔。7.结束语图 7. OTDR 现场脱空检测波形图示意（1）在国内外首次提出并研制成功钢管混凝土的分布式光纤脱空监测技术和系统，其光纤非正交构型和优化组合两项核心技术具有原创性，可实施对管内混凝土脱空及裂缝的定量化、无遗漏监测，性能优异，具有工程实用价值。
16、（2）提出了光纤-混凝土复合体的力-光本构模型的科学概念，用试验测定力- 光本构方程，据此可计算确定脱空值，且得到实桥工程验证。（3）提出了光纤-混凝土复合体细观力学分析的双界面理论模型和三维非线性有限元方法，计算的光纤量程与试验值基本相符。这为本系统提供了力学理论基础和理论工具。（4）用工程机械进行仿真试验研制光纤安装、保护构造工艺，基本可行。（5）首次完成光纤监测系统安装应用于特大型实桥工程，测出大范围脱空的定量分布及发生发展过程，得到超声检测，特别是开孔检测的证实，完成一次“理论-实验-工程实践”的全过程，为实桥的脱空处理提供了信息，取得了实效，证实了此系统的科学性、有效性和工程实用价值，成果总体上达到该领域的国际领先水平，对保障大桥安全及促进钢管混凝土拱桥科技发展都具有重要价值。（6）本项研究得到四川路桥集团大力支持，特致谢！
