光纖傳感在斜拉橋塔柱應(yīng)變監(jiān)測中的應(yīng)用研究

張乙彬 郭 倩

（1.貴州橋梁建設(shè)集團有限責任公司，貴陽 550000；2.貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴陽. 550000）

0 引言

斜拉橋憑借其獨特的構(gòu)造與良好的外觀，在當前的橋梁工程建設(shè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。塔身應(yīng)力控制是保障結(jié)構(gòu)安全和裂縫控制的關(guān)鍵手段，受施工荷載和氣候變化影響，塔身應(yīng)力也會經(jīng)常變化，應(yīng)力過大將造成塔身表面產(chǎn)生裂縫，影響結(jié)構(gòu)安全。現(xiàn)有應(yīng)力監(jiān)控方法是在特征點埋設(shè)應(yīng)變片進行監(jiān)控量測，傳統(tǒng)傳感器不僅安裝施工復(fù)雜，而且后期監(jiān)測線路凌亂，難以進行大面積、大范圍監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集主要依靠人工監(jiān)測，不能做到實時采集及傳輸。而新興的光纖傳感器監(jiān)測方法能對橋塔施工期進行應(yīng)變監(jiān)測，實時分析橋塔施工時的應(yīng)力狀態(tài)，控制主塔施工質(zhì)量和安全。本文就光纖傳感在斜拉橋塔柱應(yīng)變監(jiān)測中的具體應(yīng)用進行介紹。

1 工程概況

某特大橋為249.5m+2×550m+249.5m 的疊合梁斜拉橋，橋梁全長2135m。全橋平面均位于直線段。主塔采用鉆石形索塔，塔柱在橫橋向下橫梁以上的形式為“A”型，下橫梁以下的形式為花瓶型；在縱橋向上橫梁以上的形式為單肢空心薄壁型，上橫梁以下至下塔柱的形式為雙肢空心薄壁型，塔墩的形式為單肢空心薄壁型。上塔柱高78.2m，中塔柱高75.55m，下塔柱高50.25m，塔墩高116.0m。塔柱采用C50混凝土澆筑。

2 監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測目的

塔身應(yīng)力控制是保障結(jié)構(gòu)安全和裂縫控制的關(guān)鍵手段，受施工荷載和氣候變化影響，塔身應(yīng)力也會經(jīng)常變化，應(yīng)力過大將造成塔身表面產(chǎn)生裂縫，影響結(jié)構(gòu)安全。同時，中塔柱為傾斜式，在完成上橫梁施工前，中塔柱一直處于懸臂狀態(tài)，需在適當位置加設(shè)臨時橫撐，因此開展中塔柱應(yīng)變監(jiān)測，對判斷截面應(yīng)力是否滿足規(guī)范要求是必要的[3]，同時實時監(jiān)測可反映中塔柱受力狀態(tài)，為增設(shè)臨時橫撐提供依據(jù)。

2.2 傳感器選擇

振弦式傳感器是基于機械結(jié)構(gòu)式原理研發(fā)的傳感器，易受復(fù)雜的橋梁施工條件影響，如氣候、施工荷載等因素，使其適用范圍具有很大的局限性。同時，特大橋外部條件的復(fù)雜性，也是造成傳統(tǒng)傳感器及其引線破壞的重要原因，使得傳統(tǒng)傳感器難以滿足長期監(jiān)測的任務(wù)。

光纖傳感技術(shù)是一種新興的傳感監(jiān)測技術(shù)。目前研制成功的光纖傳感器可以實現(xiàn)包括應(yīng)變、溫度、位移等絕大部分物理量的監(jiān)測，已廣泛地應(yīng)用于土木、水利、智能結(jié)構(gòu)等眾多領(lǐng)域。光纖傳感技術(shù)的優(yōu)勢在于，可以實現(xiàn)大范圍、高精度、長時期地監(jiān)測；同時，因其主要材料為二氧化硅，其絕緣性好、穩(wěn)定性高，可對異常區(qū)進行精準定位。因此，本次監(jiān)測工作采用先進的光纖傳感技術(shù)。

2.3 監(jiān)測點布置

塔柱從下橫梁頂開始分為4個中塔柱，在4個中塔柱底布置監(jiān)測截面，見圖1，每個中塔柱截面角點處布置4 個測點，見圖2。每個監(jiān)測點布置帶有溫度補償?shù)墓饫w應(yīng)變傳感器。

圖1 監(jiān)測截面示意圖

圖2 監(jiān)測點位布置圖

2.4 傳感器安裝

為了保證傳感器對變形的敏感性，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，采用封裝好的埋入式傳感器，并將應(yīng)變傳感器與溫度傳感器封裝在一起。將4 支軸向應(yīng)變計串聯(lián)成一個光纖串（見圖3），引出兩個感測跳線頭，并將感測跳線接入無線值守型光纖光柵調(diào)制解調(diào)儀（見圖4）。

圖3 傳感器熔接

圖4 無線值守型光纖光柵調(diào)制解調(diào)儀

2.5 數(shù)據(jù)處理

光纖傳感器測得的直接變量為光纖的中心波長值，需經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變值。

式中：λ0、λT0——分別為光纖應(yīng)變傳感器、溫度傳感器的初始波長值；

λi、λTi——分別為第i 次測得的光纖應(yīng)變傳感器、溫度傳感器的波長值；

εi——測點的應(yīng)變值；K為應(yīng)變標定系數(shù)。

3 4個塔柱應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 A、B、C、D號塔柱應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果

A號塔、B號塔、C號塔和D號塔柱應(yīng)變監(jiān)測時程曲線分別見圖5～圖8，四個塔柱4個監(jiān)測點的應(yīng)變變化同步，C號塔柱2#監(jiān)測點光纖傳輸線破損無法繼接。

圖5 A塔柱應(yīng)變監(jiān)測時程曲線

圖6 B塔柱應(yīng)變監(jiān)測時程曲線

圖7 C塔柱應(yīng)變監(jiān)測時程曲線

圖8 D塔柱應(yīng)變監(jiān)測時程曲線

A 號塔柱全截面在監(jiān)測期間均呈現(xiàn)受壓狀態(tài)。3#、4#監(jiān)測點位于塔柱內(nèi)側(cè)，3#監(jiān)測點壓應(yīng)變最大（最大壓應(yīng)變713.83με），4#監(jiān)測點次之，而1#和2#監(jiān)測點應(yīng)變相當。4 個監(jiān)測點在雙肢合攏前壓應(yīng)變隨塔高增加基本呈線性增長，雙肢合攏及上塔柱施工期間壓應(yīng)變基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

B 號塔柱外側(cè)（1#點和2#點）在前期處于受拉狀態(tài)，內(nèi)側(cè)全過程處于受壓狀態(tài)。3#、4#監(jiān)測點位于塔柱內(nèi)側(cè)，4#監(jiān)測點壓應(yīng)變最大（最大壓應(yīng)變610.35με），3#監(jiān)測點次之，2#監(jiān)測點壓應(yīng)變最小。4個監(jiān)測點在雙肢合攏前壓應(yīng)變隨塔高增加基本呈線性增長，雙肢合攏及上塔柱施工期間壓應(yīng)變基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

C 號塔柱外側(cè)（3#點和4#點）在前期處于受拉狀態(tài)，內(nèi)側(cè)全過程處于受壓狀態(tài)。1#、2#監(jiān)測點位于塔柱內(nèi)側(cè)，1#監(jiān)測點壓應(yīng)變最大（最大壓應(yīng)變603.72με），2#監(jiān)測點次之，3#監(jiān)測點壓應(yīng)變最小。3個監(jiān)測點在雙肢合攏前壓應(yīng)變隨塔高增加基本呈線性增長，雙肢合攏及上塔柱施工期間壓應(yīng)變基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

D 號塔柱外側(cè)和4#點全過程處于受拉狀態(tài)；3#點前期處于受拉狀態(tài)，在上肢合攏前處于受壓狀態(tài)，上肢合攏及上塔柱施工期間回歸受拉狀態(tài)；內(nèi)側(cè)全過程處于受壓狀態(tài)。1#、2#監(jiān)測點位于塔柱內(nèi)側(cè)，2#監(jiān)測點壓應(yīng)變最大（最大壓應(yīng)變737.58με），2#監(jiān)測點次之，3#監(jiān)測點壓應(yīng)變最小。3 個監(jiān)測點在雙肢合攏前壓應(yīng)變隨塔高增加基本呈線性增長，雙肢合攏及上塔柱施工期間壓應(yīng)變基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析討論

中塔柱在合攏前處于懸臂狀態(tài)，在塔柱自身及施工荷載的作用下，內(nèi)側(cè)、外側(cè)受力狀態(tài)不同，甚至在外側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力，在塔柱底部形成彎矩應(yīng)力[4]。本次傳感器是在中塔柱底部第一節(jié)段鋼筋綁扎完成后安裝的，因此，在混凝土凝結(jié)前，傳感器記錄的主要是鋼筋受力的應(yīng)變值，為反應(yīng)混凝土的受力特征，以混凝土凝結(jié)后采集的光纖光柵波長值作為初始值。處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，4根中塔柱內(nèi)側(cè)最大壓應(yīng)變?yōu)?52～669με（見圖9），各塔柱底部軸力值相差約4MPa，反映各塔柱承受的荷載基本相同，這種應(yīng)力差可能是由于施工過程中，安裝臨時橫撐時兩側(cè)的塔柱進度不一致，懸臂長度不等導(dǎo)致的自重應(yīng)力差異；中塔柱外側(cè)在前期承受拉應(yīng)力，在施工臨時橫撐后，應(yīng)變狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，這也反映出臨時橫撐對塔柱施工質(zhì)量的重要作用[5]。

圖9 中塔柱內(nèi)角點最大壓應(yīng)變監(jiān)測值

目前，鉆石型索塔或H 型索塔中塔柱均為單肢型。在臨時橫撐設(shè)計時，僅需考慮橫橋向的彎矩作用，而本次依托工程中塔柱為雙肢薄壁型，除橫橋向有較大的彎矩外，縱橋向也存在應(yīng)力差。以A 塔柱監(jiān)測數(shù)據(jù)為例（見圖10），橫橋向1#、4#監(jiān)測點應(yīng)變差值最大為270με，2#、3#監(jiān)測點應(yīng)變差值最大為559με，縱橋向1#、2#監(jiān)測點應(yīng)變差值最大為32με，3#、4#監(jiān)測點應(yīng)變差值最大為337με，可見，縱橋向的應(yīng)力差可達到橫橋向應(yīng)力差的1/2以上，雙肢中塔柱實際處于壓扭性受力狀態(tài)，較僅受偏壓的單肢塔柱更復(fù)雜，因此縱橋向的應(yīng)力控制也是不能忽視的。

圖10 A塔柱典型應(yīng)變場云圖

4 結(jié)束語

（1）本次通過光纖傳感器采集的應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)，符合塔柱應(yīng)力狀態(tài)，反映光纖傳感技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用潛力。

（2）臨時橫撐能有效地控制中塔柱塔底截面應(yīng)力，結(jié)合光纖實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，可對臨時橫撐布置高度、數(shù)量進行動態(tài)調(diào)整，以使其塔底截面應(yīng)力處于合理范圍內(nèi)。

（3）鉆石型索塔雙肢薄壁中塔柱與傳統(tǒng)的鉆石單肢型中塔柱或H 型索塔不同，在考慮橫橋向彎矩時，還應(yīng)對縱橋向應(yīng)力控制引起重視。