兩類(lèi)光纖傳感器在道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

0 引言

近年來(lái)，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(qiáng)、耐久性好和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，其中應(yīng)用較多的是光纖布拉格光柵（簡(jiǎn)稱(chēng)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(cè)兩方面出發(fā)，簡(jiǎn)述了兩類(lèi)光纖傳感器在道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，分析評(píng)價(jià)了它們的適用情況，并針對(duì)該領(lǐng)域存在的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)與展望。

1 路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫監(jiān)測(cè)

水泥混凝土路面內(nèi)部鋼筋的銹蝕會(huì)引起結(jié)構(gòu)的膨脹開(kāi)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(wú)損檢測(cè)方法雖然可以檢測(cè)出結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋的腐蝕狀態(tài)，但無(wú)法反映鋼筋的早期腐蝕及其動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程。Hu等開(kāi)發(fā)了用于鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)的Fe-C涂層FBG電化學(xué)傳感器，可根據(jù)布拉格波長(zhǎng)的偏移量來(lái)反映Fe-C層的腐蝕程度及變化情況。Fan等對(duì)鋼筋水泥混凝土試件進(jìn)行了模擬電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，通過(guò)纏繞在螺紋鋼筋上的分布式光纖傳感器（簡(jiǎn)稱(chēng)DFOS）記錄了腐蝕過(guò)程中鋼筋段膨脹應(yīng)變的累積情況。試驗(yàn)結(jié)果表明膨脹應(yīng)變的積累歷程可分為3個(gè)階段，與電化學(xué)腐蝕過(guò)程相對(duì)應(yīng)。通過(guò)應(yīng)變計(jì)算出的各位置鋼筋的質(zhì)量損失與體積膨脹量，可用于預(yù)測(cè)混凝土覆蓋層的開(kāi)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(cè)中的應(yīng)用，對(duì)粘有FBG傳感器的瀝青混合料梁試件進(jìn)行了分級(jí)加載實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明傳感器記錄的應(yīng)變數(shù)據(jù)可較好地反映梁底裂縫的發(fā)展過(guò)程。錢(qián)振東等采用布里淵光學(xué)時(shí)域分析（簡(jiǎn)稱(chēng)BOTDA）分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層疲勞裂縫的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了研究，利用其監(jiān)測(cè)了三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)中鋪裝結(jié)構(gòu)的裂縫擴(kuò)展過(guò)程，建立了實(shí)測(cè)響應(yīng)與裂縫擴(kuò)展速率的轉(zhuǎn)換模型。

相對(duì)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(xué)功率和可調(diào)激光源的探詢(xún)裝置，在感知外界信息時(shí)有著更高的靈敏度。此外，由于光纖布拉格光柵固有的波長(zhǎng)特性，即便光纖的彎曲變形會(huì)造成信號(hào)衰減與損耗，傳感器測(cè)得的結(jié)果仍然能夠保持較高的準(zhǔn)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(cè)。

2 路基變形監(jiān)測(cè)

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(zhǎng)此以往會(huì)導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破裂和塌陷等一系列問(wèn)題，因此有必要對(duì)路基變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。Xu等開(kāi)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(gè)傳感器的應(yīng)變數(shù)據(jù)來(lái)得到土體的位移，實(shí)現(xiàn)了路基邊坡滑動(dòng)時(shí)土壤位移的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。Sun等基于分布式光纖傳感技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種信息感知系統(tǒng)，通過(guò)收集邊坡應(yīng)力、溫度和變形等信息來(lái)評(píng)估邊坡的穩(wěn)定性和滑坡變形的風(fēng)險(xiǎn)。Dong等將脈沖預(yù)泵布里淵光學(xué)時(shí)域分析（簡(jiǎn)稱(chēng)PPP-BOTDA）理論應(yīng)用于地基沉降監(jiān)測(cè)中，通過(guò)分布式光纖傳感器中布里淵散射光的頻移來(lái)監(jiān)測(cè)光纖軸向應(yīng)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(dǎo)出路基的隆起或沉陷變形值。該方法可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度的連續(xù)測(cè)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(chǔ)結(jié)構(gòu)，其變形和破壞的發(fā)生位置具有很強(qiáng)的隱蔽性和隨機(jī)性，F(xiàn)BG等準(zhǔn)分布式傳感監(jiān)測(cè)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(cè)范圍，這將導(dǎo)致集成監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生高昂的施工與維護(hù)成本，亦會(huì)加大數(shù)據(jù)處理難度。而分布式光纖傳感系統(tǒng)可通過(guò)串聯(lián)的光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，經(jīng)一次測(cè)量就可以獲取整個(gè)光纖區(qū)域內(nèi)被測(cè)量物體振動(dòng)、應(yīng)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(hù)相對(duì)更簡(jiǎn)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(cè)。未來(lái)可將分布式光纖傳感系統(tǒng)與光學(xué)頻域反射等技術(shù)相結(jié)合，提高監(jiān)測(cè)的空間分辨率和精度。必要時(shí)可將分布式光纖布置成縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)路基的全方面動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

3 智能傳感技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題

從國(guó)內(nèi)外大量的應(yīng)用研究來(lái)看，光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于道路內(nèi)部病害的監(jiān)測(cè)當(dāng)中是可行的，國(guó)外在許多地方進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)部分場(chǎng)合傳統(tǒng)識(shí)別監(jiān)測(cè)方式的替換。我國(guó)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(yīng)用體系，仍存在一些問(wèn)題：

（1）傳感設(shè)備在安裝與運(yùn)行過(guò)程中不可避免地受高壓、高溫和濕度等的影響，設(shè)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(fù)雜的外界作用，因此有必要設(shè)計(jì)保護(hù)外裝置和優(yōu)化施工布設(shè)方案，在不過(guò)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(zhǎng)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(shí)狀況。不同類(lèi)型的光纖傳感器在運(yùn)行機(jī)制與識(shí)別精度上有著較大的差異，在長(zhǎng)期使用過(guò)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(jí)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(shè)備；在數(shù)據(jù)收集過(guò)程中可建立預(yù)處理機(jī)制，消除過(guò)濾掉多余的數(shù)據(jù)噪音；溯源誤差累積傳遞機(jī)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(gè)復(fù)雜的長(zhǎng)期過(guò)程，如何保證傳感設(shè)備穩(wěn)定地工作成為了關(guān)鍵問(wèn)題?？蓪⒆?a target="_blank">供電技術(shù)與光纖傳感技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)收集道路環(huán)境中過(guò)剩的機(jī)械能、風(fēng)能和熱能等并加以轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖傳感設(shè)備的供能，從而降低有線供電的生產(chǎn)維護(hù)成本。

4 結(jié)語(yǔ)

光纖傳感器的選擇和應(yīng)用應(yīng)與路面結(jié)構(gòu)的實(shí)際行為響應(yīng)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(lái)選擇光纖傳感設(shè)備的類(lèi)型、布置方式及信息反饋處理方式等，從而實(shí)現(xiàn)更高效和更精準(zhǔn)的感知識(shí)別?，F(xiàn)有研究大多采用“室內(nèi)試驗(yàn)+軟件模擬”的方法來(lái)驗(yàn)證光纖傳感器的實(shí)用性，缺乏真實(shí)環(huán)境和荷載的作用，因此有必要加大現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究力度。

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