基于分布式光纤传感技术的大跨箱梁桥裂缝监测研究

摘要

由于设计、施工及运营期存在的各种弊端，不少既有的桥梁在其使用期内出现了比较严重的开裂问题。裂缝的出现，不仅降低了结构的整体刚度，导致结构后期挠度的增大：而且有害物质侵入结构内部，会对钢筋造成腐蚀。这些将造成结构的耐久性降低，甚至出现坍塌。如果对裂缝的出现及开展进行有效的捕捉，并对其进行及时的修复，对提高混凝土桥梁结构的耐久性具有重大的意义。为此，国内外学者先后展开了对裂缝进行监测的研究。
　　 目前，传统的裂缝检测手段以人工检测为主，而且现有的“点式”监测技术难以全面监测桥梁的应力分布，监测结果受局部信息影响较大，难以满足实际工程的监测要求，特别对于混凝土结构的随机裂缝。
　　 基于工程需要及分布式光纤传感技术，本文提出了一种基于分布式光纤传感技术的桥梁裂缝监测方法，并对分布式光纤传感器基本性能及利用其进行预应力混凝土箱梁桥的裂缝识别方法开展了一系列的试验研究。所采用的分布式光纤传感技术，可实现空间连续场的整体测量，为实现结构受力状态的连续测量提供了可能。
　　 首先，介绍了光纤传感技术的特点与优势，描述了基于布里渊散射、布拉格光栅(FBG)等几种典型的分布式光纤传感技术；考虑到复合材料(FRP)具有高强、耐腐、线弹性等优越性能，确定了FRP作为封装材料，并探讨了全面粘贴、长标距和增敏三种封装方法；重点研究了基于PPP-BOTDA技术分布式光纤传感器及长标距FBG传感器的应变及温度传感性能，试验证明了传感器的优良传感性能；同时分析了利用分布式光纤传感器进行结构测量时温度补偿的方法。
　　 其次，介绍了箱梁截面的空间分析方法，并对各种分析方法进行了比较，指出了有限元分析法在进行复杂结构空间受力分析时的优势。利用ANSYS有限元分析软件建立了箱型截面连续桥梁的有限元分析模型。通过对桥梁荷载的分析，最终选取两种荷载工况对桥梁的受力进行计算分析。分析结果表明，环境作用中的横向温度梯度对箱型桥的拉应力分布及大小均有一定的影响，其中对顶板的应力分布影响比较小，对底板及腹板的拉应力分布影响比较大；利用有限元分析结果，得到了中跨顶板、腹板、底板处的最大拉应力，由此可判断出混凝土裂缝可能出现的位置分别为支座、L/4跨、1/2跨；考虑测量精度及经济性问题，确定了长标距传感器的测量标距以1m左右为宜；提出了三种传感器布设方案，即水平布设、斜向布设、网格布设，并对每种方案裂缝信息给出了计算公式。
　　 最后，采用混凝土梁进行了裂缝监测效果的验证。试验中，通过文中所述的三种布设方案，利用长标距及全面粘贴的光纤传感器对弯区及弯剪区裂缝的出现及开展的实施了监测。试验结果表明：水平布设的长标距FBG能够对两类裂缝进行有效监测，再结合斜向布置的长标距FBG就可以计算出布设区域内的主应力；水平全面粘贴的分布式光纤可以反映结构沿布设方向的应力状况，并可以对裂缝进行准确定位；由于试件尺寸和传感空间分解能的限制，分布式光纤网格仅可以识别出部分主裂缝的出现，进一步的裂缝评估未能达到预期效果，但在实际结构中将可大大改善。