基于分布式光纤传感的长大桥健康监测应用研究

Application Research on Health Monitoring of Long Bridge Based on Distributed Optical Fiber Sensing

摘要: 本文提出采用布里渊光时域分析技术，在某长大桥的行车方向布设传感光缆，通过荷载对比、长期应变监测等试验，实现桥梁纵向整体的线性应变测量。结果证明该技术既突破了传统点式传感器的空间连续监测瓶颈，实现分布式连续应变测量，又能用于桥梁车流荷载信息的监控及趋势预测等，对桥梁等重大结构的健康监测具有重要意义。

Abstract: In this paper, the technique of Brillouin optical time domain analysis has been applied to the bridge. By laying optical sensing fiber cables, the total strain distribution along the bridge has been obtained. We also compare the experimental result with traditional sensors by load test and long-term strain monitoring. The result shows that this technique is able to overcome the problem of distributed monitoring of traditional point-based sensors, and predicts the trend of strain evolution, which makes it a highly competitive candidate for future structural healthy monitoring.

1. 原理介绍

桥梁是交通设施的重要组成部分，桥梁在使用过程中由于交通负载、地震和风载等各类荷载作用，可能出现一定的疲劳和损伤。由于能够实时提供桥梁安全状态的关键数据，因此桥梁结构健康监测系统显得尤其重要。此外，桥梁结构健康监测系统是交通设施数字化方向的重要组成部分，智慧高速建设促进了桥梁结构健康监测系统的研究和发展。传统桥梁结构健康监测系统所用的应变传感器为振弦应变计等点式传感器，而对于空间跨度大的特大桥，点式传感器无法实现全覆盖监测，存在一定的空间局限性，另外传感器成本高，施工和维护难度大。

近20年来分布式光纤传感技术发展迅速，已经被广泛的应用于多个行业，尤其是结构监测领域。布里渊光时域分析技术 [1] (Brillouin Optical Time Domain Analysis，简称BOTDA)是一种新型光纤传感方法，可用于结构物的应变、温度 [2] [3] [4] 监测，分布式光纤传感技术不仅可对目标进行空间上的全范围连续监测，还具有抗电磁、抗腐蚀、防水、耐久性、高精度、空间分辨率高、定位精度高、远距离传输等优点。BOTDA原理如图1所示。

Figure 1. Principle of BOTDA

图1. BOTDA原理

从单频窄线宽光源分出两束光，一路调制为脉冲信号光，一路调制为扫频信号光，分别从传感光纤两端射入，然后反射光从环形器输出到探测器，当两路光的频率差落在布里渊光谱内(10 GHz附近)，光纤中产生受激布里渊效应，能量从泵浦光向探测光发生转移，使探测光的受到增益。因为泵浦光是脉冲调制的，故类似时域反射原理，背向散射的探测光的时域分布反映出光纤各位置点所受布里渊增益的情况；固定泵浦光频率，对探测光频在布里渊光谱进行扫描，即得到光纤各点的布里渊增益谱；增益谱峰处的频移(布里渊频移)与光纤所受应变成正比关系，所以测得光纤各点的布里渊频移值，可由以下公式得到光纤各点所受应变：

$\Delta {\nu }_B=C_{11}\times \Delta \epsilon +C_{12}\Delta T$

其中 $\Delta {\nu }_B$ 是布里渊频移变化量， $\Delta \epsilon$ 是应变变化量， $\Delta T$ 是温度变化量， $C_{11}$ 及 $C_{12}$ 分别是布里渊频移应变系数和频移温度系数，因此通过检测布里渊信号的频移值可获得沿光纤分布的温度及应变信息，实现分布式传感。

2. 试验概况

目前，分布式光纤传感技术在中小型桥梁的应用较为成熟 [5] [6]，但应用范围有限，推广意义小。本文将分布式光纤传感技术应用于大型桥梁的健康监测中，具有较强的实践意义和推广价值。

所应用的长大桥是某大型千米级斜拉桥，该桥主孔跨度超千米。大桥日均超过10万通行量，在大桥结构的承载能力检测中，采用最新的分布式光纤传感技术进行连续分布式监测，在主桥和边跨钢箱梁梁底铺设分布式传感光缆，具体布设如下图2所示。

Figure 2. Schematic diagram of distributed optical sensing cable

图2. 分布式传感光缆布设示意图

图2为某大桥的分布式传感光缆布设示意图，图中黑线代表传输光缆，红线代表应变光缆，应变光缆沿钢箱梁梁底部从G截面一直铺设到A截面，然后折回铺设到G截面，再用传输光缆引致大桥桥头，接入分布式光纤应变分析仪中，全长接近4 km。

3. 测量结果

采用自研的FS-3000型分布式光纤应变分析仪，该设备具有操作简便、界面友好、性能稳定等优点，测量距离最远可达100 km，空间分辨率最小为0.2 m。通过荷载对比试验验证分布式光纤传感测量的准确性，通过长期监测研究车流量和桥梁应变分布。荷载试验重载车进行加装，测试现场如图3所示。

3.1. 静载对比

静载荷之前，桥面清空，测量桥梁初始应变，主要测量工况有：B-B截面静载、E-E截面静载、F-F截面静载、E-E截面偏载。

Figure 3. Demonstration of load test

图3. 加载试验图

(1) B-B截面静载

其中B-B截面静载工况分为B-B弯矩和B-B挠度，B-B弯矩为26辆荷载车荷载于B截面位置，B-B挠度为40辆荷载车加载于B截面位置，得到两根光缆的应变分布如图4所示。

Figure 4. B-B section static load strain distribution

图4. B-B截面静载应变分布图

(2) E-E截面静载应变分布

其中E-E截面静载工况分为E-E弯矩和E-E挠度，E-E弯矩为26辆荷载车荷载于E截面位置，其余车辆原地不动，E-E挠度为52辆荷载车加载于E截面位置，得到两根光缆的应变分布如下图5所示。

(3) F-F截面应变分布

F-F截面静载试验工况为26辆车前进至F-F截面，两根光缆的应变分布如图6所示。

(4) E-E截面偏载

E-E截面偏载试验工况为39辆车偏载于E-E截面一侧路面。

从图7中可得，偏侧光缆应变最大值大于中侧光缆应变值。

分别选取分布式光纤关键截面应变值测量值与应变片测量值对比，如表1所示。

静载试验表明分布式光纤测量的应变值与应变计测量值对比，最大误差在5 με以内，测量准确度高，可以满足实际测量应用。另外，分布式光纤应变监测系统可以有效测量桥梁的整体应变分布，与荷载位置准确对应。

Figure 5. Static load strain distribution of E-E section

图5. E-E截面静载应变分布图

Figure 6. Static load strain distribution of F-F section

图6. F-F截面静载应变分布图

Figure 7. Partial load strain distribution of E-E section

图7. E-E截面偏载静载应变分布图

3.2. 荷载应力线

荷载应力线加载如图8所示，荷载点从左侧边跨中间位置逐渐移动到右侧边跨中间位置，每到一个荷载位置，进行一次全桥光纤的应变数据采集。

将不同荷载点所测量得到的应变数据进行汇总，如下图9所示。

Table 1. Strain comparison of distributed fibers with gauges

表1. 分布式光纤与应变片测值对比

Figure 8. Scheme of load positions

图8. 某大桥应力线荷载点加载位置图

Figure 9. Stress versus different loads

图9. 荷载应力曲线变化图

通过应力线测试可得：

(1) 分布式光纤可以给出荷载移动时主梁应力线的分布，实现全桥的连续应变测量。

(2) 分布式光纤能够定位受力位置，为桥梁结构受力分析和定位受力异常位置提供依据。

3.3. 长期监测

采用分布式光纤对桥梁进行为期15天连续监测，测量时间间隔为30分钟，总共720次测量。

中侧光缆和偏侧应变光缆的应变长期变化曲线叠加的效果如图10所示。

Figure 10. Long-term strain monitoring of distributed optical fibers

图10. 分布式光纤长时间监控应变变化曲线

Figure 11. Long time strain monitoring of E section

图11. E截面中间光缆长时间监控应变变化曲线

从图中可得，在对全桥进行15天连续的应变监控下，中间光缆和偏侧光缆在跨中位置为正向应变，说明跨中位置受车流荷载影响，桥面下压导致光缆正向应变增加；而在左右两侧桥塔位置呈现负向应变，说明由于大桥桥塔部位受到约束，在车流荷载的影响，桥面出现上弓起的现象，导致光缆受挤压出现负向应变。

对跨中位置(E截面)的受力状态进行长时间对比分析，作出受力状态的变化曲线如图11所示。

两条光缆E截面跨中位置点应变呈现周期有序的应变变化，应变值均为正向应变。说明桥面在车流荷载，桥梁底板光缆受拉，中间光缆应变变化较大，边侧光缆应变变化较小，最大应变约为100 με。每天应变最大的时间段为下午三点到六点之间，符合每天的实际车流量。

4. 总结

本文采用基于布里渊光时域分析的分布式光纤传感技术，实现了长大桥的连续分布式应变测量。荷载对比试验结果表明，分布式光纤传感测量误差小于5 με。采用分布式光纤传感对长大桥结构进行长期监测，即可实现长大桥应变的时间和空间的连续测量，也可给出车流量的变化状态。该技术不仅可以应用于长大桥健康监测，还可以用于桥梁超载监控、车流分析等场合，对智慧交通发展具有重大意义。