兩類光纖傳感器在道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害監(jiān)測中的應用

0 引言

近年來，光纖傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，相比其他傳統(tǒng)技術(shù)，其具有精度高、抗干擾能力強、耐久性好和適用范圍廣等優(yōu)點，其中應用較多的是光纖布拉格光柵（簡稱FBG）傳感器和分布式光纖傳感器。

本文從路面內(nèi)部裂縫和路基沉降變形監(jiān)測兩方面出發(fā)，簡述了兩類光纖傳感器在道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害監(jiān)測中的應用，分析評價了它們的適用情況，并針對該領域存在的問題進行總結(jié)與展望。

1 路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫監(jiān)測

水泥混凝土路面內(nèi)部鋼筋的銹蝕會引起結(jié)構(gòu)的膨脹開裂，從而降低混凝土的安全性能和使用壽命。傳統(tǒng)的超聲波反射等無損檢測方法雖然可以檢測出結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋的腐蝕狀態(tài)，但無法反映鋼筋的早期腐蝕及其動態(tài)發(fā)展過程。Hu等開發(fā)了用于鋼筋腐蝕監(jiān)測的Fe-C涂層FBG電化學傳感器，可根據(jù)布拉格波長的偏移量來反映Fe-C層的腐蝕程度及變化情況。Fan等對鋼筋水泥混凝土試件進行了模擬電化學腐蝕試驗，通過纏繞在螺紋鋼筋上的分布式光纖傳感器（簡稱DFOS）記錄了腐蝕過程中鋼筋段膨脹應變的累積情況。試驗結(jié)果表明膨脹應變的積累歷程可分為3個階段，與電化學腐蝕過程相對應。通過應變計算出的各位置鋼筋的質(zhì)量損失與體積膨脹量，可用于預測混凝土覆蓋層的開裂。

張睿等研究了光纖傳感器在瀝青路面內(nèi)部裂縫監(jiān)測中的應用，對粘有FBG傳感器的瀝青混合料梁試件進行了分級加載實驗，實驗表明傳感器記錄的應變數(shù)據(jù)可較好地反映梁底裂縫的發(fā)展過程。錢振東等采用布里淵光學時域分析（簡稱BOTDA）分布式光纖傳感技術(shù)對鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層疲勞裂縫的發(fā)展規(guī)律進行了研究，利用其監(jiān)測了三點彎曲疲勞試驗中鋪裝結(jié)構(gòu)的裂縫擴展過程，建立了實測響應與裂縫擴展速率的轉(zhuǎn)換模型。

相對于分布式光纖傳感器，F(xiàn)BG傳感器不易受濕度和pH值等環(huán)境因素的影響，具有高光學功率和可調(diào)激光源的探詢裝置，在感知外界信息時有著更高的靈敏度。此外，由于光纖布拉格光柵固有的波長特性，即便光纖的彎曲變形會造成信號衰減與損耗，傳感器測得的結(jié)果仍然能夠保持較高的準確性。因此，F(xiàn)BG傳感器更適合于鋼筋彎起和捆扎等局部關(guān)鍵位置處的監(jiān)測。

2 路基變形監(jiān)測

由于地質(zhì)水文和外部荷載等作用的影響，使得部分路基發(fā)生滑移、隆起和沉降等變形，長此以往會導致路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破裂和塌陷等一系列問題，因此有必要對路基變形進行監(jiān)測。Xu等開發(fā)了一種柔性梁FBG傳感器，利用有限差分與數(shù)值積分法處理梁上多個傳感器的應變數(shù)據(jù)來得到土體的位移，實現(xiàn)了路基邊坡滑動時土壤位移的動態(tài)監(jiān)測。Sun等基于分布式光纖傳感技術(shù)開發(fā)了一種信息感知系統(tǒng)，通過收集邊坡應力、溫度和變形等信息來評估邊坡的穩(wěn)定性和滑坡變形的風險。Dong等將脈沖預泵布里淵光學時域分析（簡稱PPP-BOTDA）理論應用于地基沉降監(jiān)測中，通過分布式光纖傳感器中布里淵散射光的頻移來監(jiān)測光纖軸向應變和溫度的變化情況，利用光纖變形量與土體位移的幾何關(guān)系推導出路基的隆起或沉陷變形值。該方法可實現(xiàn)應變和溫度的連續(xù)測量，覆蓋范圍和精度都得到了很大的提升。

路基屬于大型基礎結(jié)構(gòu)，其變形和破壞的發(fā)生位置具有很強的隱蔽性和隨機性，F(xiàn)BG等準分布式傳感監(jiān)測方法雖然可以直接獲得變形信息，且具有較高的精度，但需布置大量的傳感器以覆蓋所測范圍，這將導致集成監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生高昂的施工與維護成本，亦會加大數(shù)據(jù)處理難度。而分布式光纖傳感系統(tǒng)可通過串聯(lián)的光纖來實現(xiàn)遠距離大范圍內(nèi)的實時監(jiān)測，經(jīng)一次測量就可以獲取整個光纖區(qū)域內(nèi)被測量物體振動、應變和溫度等信息。相比之下分布式光纖傳感系統(tǒng)的施工維護相對更簡單，在信息收集方面效率更高，因此更適合于路基的變形沉降監(jiān)測。未來可將分布式光纖傳感系統(tǒng)與光學頻域反射等技術(shù)相結(jié)合，提高監(jiān)測的空間分辨率和精度。必要時可將分布式光纖布置成縱橫交錯的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對路基的全方面動態(tài)監(jiān)測。

3 智能傳感技術(shù)在實際應用中的問題

從國內(nèi)外大量的應用研究來看，光纖傳感技術(shù)應用于道路內(nèi)部病害的監(jiān)測當中是可行的，國外在許多地方進行了現(xiàn)場應用，實現(xiàn)了對部分場合傳統(tǒng)識別監(jiān)測方式的替換。我國的光纖傳感技術(shù)雖然有了一定的發(fā)展，但尚未形成在道路工程中的完整應用體系，仍存在一些問題：

（1）傳感設備在安裝與運行過程中不可避免地受高壓、高溫和濕度等的影響，設備可能發(fā)生損壞而失效。這些高精度敏感元件本身不能夠承受復雜的外界作用，因此有必要設計保護外裝置和優(yōu)化施工布設方案，在不過多影響道路結(jié)構(gòu)整體性能的前提下保障傳感元件的長期服役性能。

（2）光纖傳感器的感知結(jié)果，能否反映道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害真實狀況。不同類型的光纖傳感器在運行機制與識別精度上有著較大的差異，在長期使用過程中容易產(chǎn)生大量的噪音數(shù)據(jù)引起誤差累積。因此，有必要升級傳感技術(shù)，研究精度更高、更耐久和更抗干擾的光纖傳感設備；在數(shù)據(jù)收集過程中可建立預處理機制，消除過濾掉多余的數(shù)據(jù)噪音；溯源誤差累積傳遞機理，降低誤差并控制其傳播，確保數(shù)據(jù)的可靠性。

（3）道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫的形成和發(fā)展是一個復雜的長期過程，如何保證傳感設備穩(wěn)定地工作成為了關(guān)鍵問題。可將自供電技術(shù)與光纖傳感技術(shù)相結(jié)合，通過收集道路環(huán)境中過剩的機械能、風能和熱能等并加以轉(zhuǎn)換以實現(xiàn)對光纖傳感設備的供能，從而降低有線供電的生產(chǎn)維護成本。

4 結(jié)語

光纖傳感器的選擇和應用應與路面結(jié)構(gòu)的實際行為響應相結(jié)合，要根據(jù)道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害的形成和發(fā)展特性來選擇光纖傳感設備的類型、布置方式及信息反饋處理方式等，從而實現(xiàn)更高效和更精準的感知識別?，F(xiàn)有研究大多采用“室內(nèi)試驗+軟件模擬”的方法來驗證光纖傳感器的實用性，缺乏真實環(huán)境和荷載的作用，因此有必要加大現(xiàn)場實驗研究力度。

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