光纤光栅传感器在钢桥面铺装长期监测中的应用

黄 运 ，陈 玮 ，李伯楠

（1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804；2.上海市城市建设设计研究总院，上海200125；

3.同济大学交通运输工程学院，上海201800）

0 前言

钢桥面板在车辆荷载作用下易产生较大的局部变形，从而导致钢桥面板上的沥青铺装产生裂缝。国内对与桥面铺装应力、应变的研究多采用有限元进行分析，实桥沥青铺装层进行系统化的加载试验及长期监测还处于空白阶段。因此，有必要对钢桥面板和沥青混合料铺装在静载、动载作用下的变形状况，以及自然因素条件下的温度状况进行系统的研究和分析，以便为钢桥面沥青混合料铺装的结构设计提供可靠的力学依据。

光纤传感器是将被测量转换成光信号来进行检测的光学传感器。利用光纤传感器可实现对多个物理量的测量，如检测位移、应变、振动、压力、速度、加速度、角度、加速度等[1]。自上世纪80年代以来，光纤传感技术取得了广泛的发展，已有上千种光纤传感器应用到各个领域[2]。

本文以桃浦路蕴藻浜大桥工程为依托，从不同结构、不同用途传感器选取方面入手，对传感器的埋设方案，安装方法进行详细介绍，为以后工程中传感器使用提供了借鉴。

1 工程概况

桃浦路蕴藻浜大桥是轨道交通11号线重要的配套工程，包括主桥、引桥、梯道天桥和地面辅道等，全长1.15 km。桃浦路蕴藻浜大桥工程主桥采用两跨连续下承式钢桁架拱全焊接组合钢结构，跨径组合66m+135m。主桥桥宽33m，总用钢量约4400t。铺装层上面层采用SMA－13混合料，下面层采用EA－10混合料，粘结层采用环氧沥青防水粘结材料。

2 实验设备

2.1 应变试验设备

应变传感器按信号的采集传输和处理原理可以把现有的应变传感器分为光纤光栅应变传感器、振弦式应变传感器和电阻应变式传感器。对于应变传感器而言，判断其优劣的依据主要是其变形与所测物质的“同时”、传感器的稳定性以及传感器的存活率。

用于面层中的传感器主要是用来测量结构层层底的水平应变值，它需能承受较大的温度。试验路段中，铺装层的施工温度都在180℃左右，所以，应变传感器的工作温度最大值应大于200℃左右。铺装结构中计算应变较大值可达300 με，所以，量程至少应大于500 με。综合考虑以上各种因素，选择光纤光栅传感器TDR－FBG－G－LE100及薄片状TDRFBG－G－VE40应变传感器测试水平横向和纵向应变，量程均为±1 500 με，满足施工及测试要求。

2.2 温度试验设备

由于路面材料中集料的棱角性、沥青混合料的高温性、道路施工的相对粗放性，以及施加循环荷载大且次数多，试验中选择定制的Pt100温度传感器。其测量范围是－200℃～650℃，精度为0.01℃，误差0.5℃。另外，温度传感器的温度结果也用于对应变传感器进行温补。桥梁底部采用光纤光栅温度传感器QST100进行桥底面温度测试，并对应变进行温度补偿。采集系统为FBG8600，与光纤光栅应变传感器同时进行数据采集。

3 传感器布设方案

由于该桥为桁拱－桁架组合结构，为了体现两种不同结构的受力情况，分别选定测点于桁拱最大纵坡及桁架部分。两个横隔板间距3.375 m。轮迹带宽取1.8 m。

布设原则：（1）在桥面板底部及铺装结构中分别布设传感器，且尽量相互对应。（2）便于埋设安装，线路尽量短，所以要在最外侧车道上进行埋设。（3）应变传感器布置于轮迹带处，此桥自边缘开始，将第二及第五U形肋处于轮迹带上。（4）尽量测试不同处较大荷位的应变：横桥向，在横隔板处、两个横隔板1/2处布设传感器；纵桥向，在U形肋、两个U形肋1/2处、系梁、纵梁等处布置。

3.1 应变传感器布设方案

（1）桥面板底部应变传感器布置方案：在两个横隔板中间1/2直线上测试纵向应变，应变传感器分别布置于系梁底面中心位置、第二个U形肋底部中心、第二、三U形肋1/2中间桥面板上、第五个U形肋底部中心及其边缘桥面底、纵梁底面中心位置。每一排中光纤光栅应变传感器6个，并联连接至一个1×6的分路盒中，光纤光栅温度传感器1个，布置于应变传感器附近并串联至距离最近的一个应变传感器中。横隔板处测试横向应变，传感器布设同横隔板1/2处。桁拱、桁架部分各布置上述两排，如图1所示。

图1 桥底传感器布设示意图

（2）铺装结构中应变传感器布置方案：在两个横隔板中间1/2直线上测试横向应变，应变传感器分别布置于第二个U形肋底部中心、第五个U形肋底部中心的面层对应位置。在横隔板处直线上测试纵向应变，应变传感器位置同上，如图2所示。

图2 .2 铺装结构中传感器布设示意图

3.2 温度传感器布设方案

该项试验中随施工共布设温度传感器12个，桁拱结构与桁架结构各6个，在每一部分，铺装结构中埋设Pt100温度传感器4个，桥底面光纤光栅温度传感器2个。铺装结构中SMA层底及环氧沥青混合料层底，在两横隔板处及两横隔板中间各埋设1个，距离机非分隔栏杆横向1 m。

4 传感器安装埋设

4.1 桥底面传感器安装

应变传感器安装：首先根据布设方案准确确定应变传感器的位置，清理干净桥面板表面，并作严格标记。然后对标记点进行打磨，去除钢板表面油漆，打磨区域大约为边长为6 cm的正方形。接下来用焊枪进行应变传感器焊接工作，焊接时，要注意传感器不能偏离纵向或横向方位；在焊接过程中，应变传感器应接通到光纤光栅解调仪上，时刻关注其波长图，观察是否发生异常变化或是波长消失，如有问题应及时拆除重新进行焊接。而且，传感器线路尽量简易清晰，每隔大约30 cm用磁铁及凸型贴片固定至钢板上。

桥底面温度传感器安装：在横隔板处，将温度传感器固定于相应的横梁下翼板上，紧贴钢板，以准确测试桥面板的底面温度。在两横隔板1/2处，将温度传感器固定于U形肋或桥面板上。

在桥底面传感器安装完毕后，用油漆对应变传感器打磨处进行修补，防止钢板生锈，影响整体美观。

4.2 铺装层中传感器安装埋设

按照设计的应变传感器的布置间距、数量和方位进行布设。由于面层施工温度高，在埋设传感器前，对传感器及接头关键部位等用耐高温胶带进行包裹处理。

4.2.1 位置标记

首先要在埋设传感器的试验段上准确确定应变传感器的位置，清理干净表面，并在适当位置上作严格编号和标记，以备后续加载及数据采集时辨别使用。

4.2.2 应变传感器安装埋设

在环氧层底应变传感器埋设时，在防水粘结层上洒布热沥青，以便使传感器能很好地被粘住，减少摊铺机的推动干扰。此外，要在传感器上及周围洒铺将要铺筑的面层细料，洒铺范围超出传感器边缘4 cm～5 cm为宜，并用木槌或橡胶锤轻轻击实，最后要及时铺筑面层材料并适当碾压。在SMA层底埋设时，在埋设点开挖浅槽，大小宜放得下传感器为准，其他操作同环氧层底传感器埋设。

4.2.3 温度传感器安装埋设

埋设于结构层中的温度传感器束要用沥青混合料裂缝灌缝材料充分裹覆，不要填满，要低于面层表面，整个过程要避免气泡的产生，因为气泡会影响温度的传递。然后把裹覆好的温度传感器束放入开挖好的温度传感器坑洞中，使其最高的热电阻敏感点稍微低于埋设点表面，整个过程中也要避免产生气泡。为了尽量跟现实的环境接近，用从电缆沟中开挖出来的材料洒在传感器洞之上压实。最后把电缆放入电缆沟之中，用路面冷补料填充捣实。

4.2.4 线路槽的开挖

线路槽的走向一定要先沿传感器接头光缆方向走至少5cm，以免使光缆出现小半径圆弧，阻碍光的传递。然后才能根据需要，将所有传感器光缆逐步归并到总的线槽之中并导出路面之外，这是由于汽车启动或刹车过程或其他外界因素作用下会引起路面结构挫动，这为了避免因这种挫动牵扯数据线而引起的传感器失灵或输出错误信号。

沥青层线槽开挖时，若在施工完毕后，采取手动开挖，由于混合料的胶结及强度的形成，此种方式费时费力，且线槽不规整。试验中所用方法为：在压路机碾压3～4遍后至路面不出现较大的推移时，在要开挖线槽的位置放置一根直径与线槽大小相当的钢筋，在压路机的碾压作用下，钢筋被压入路面形成断面规整的线槽，线槽开挖好之后一定要仔细清扫传感器槽和线槽，扫除大颗粒和尖锐颗粒，防止这些颗粒刮伤传感器和数据线。

4.2.5 数据线的埋设

线槽中铺一些过筛细料，用来保护数据线不被割破。把数据线沿线槽铺设，并引到路面结构之外，最后用面层细料回填完毕，击实，达到原来面层的高度。

在埋设过程中，传感器皆连接到采集仪上，进行状态监测。

4.3 铺装层表面传感器安装

铺装层表面应变传感器与铺装层间布设位置对应，在加载测试前进行安装，步骤为：位置标记、传感器粘贴、数据线布设。

（1）位置确定：根据先前标记确定测点位置，并清理表面平整。

（2）传感器粘贴：将传感器主体及两端用绝缘胶带包裹，用强力胶牢固粘贴于测点位置。建议：表面传感器需至少于加载前2 h粘贴以达到稳定粘结强度。

（3）数据线布设：用胶带将数据线固定于铺装层表面以减少车辆的揉搓推移，做好标记。

5 结论

本文以钢桥面铺装应力及温度采集工作为例，对传感器的使用进行了详细的介绍。重点研究了传感器的选取、传感器布设的原则。对不同位置的传感器的标记、安装，以及线路布设等进行了阐述，为桥面铺装长期监测工作提供了借鉴。

[1]张成钢.光纤传感器及其工程应用 [J].交通世界，2011，(14):147－149.

[2]宋志强，张复荣，赵林，周忠，刘统玉.光纤光栅传感器在路基沉降监测中的应用研究[J].山东科学，2011，(5):18－19.