光纤传感技术的桥梁结构检测分析

光纤传感技术的桥梁结构检测分析

何兴文

深圳市太科检测有限公司

摘要：为进一步提升桥梁检测工作的实效性，要整合技术内容和应用要点，建立完整的检测分析模式，发挥光纤传感技术的优势作用，提升数据精度测定的实效性水平，从而为桥梁工程安全落实提供保障。本文介绍了光纤传感技术的组成和原理，并对桥梁结构检测中技术应用内容展开讨论。

关键词：光纤传感技术；桥梁结构检测；原理

    随着城市桥梁工程项目的不断发展，桥梁安全检测和维护工作受到了更多的关注，相较于传统电检测技术，光纤传感技术则能打造更加合理的检测模式，借助光纤作为传输媒介降低检测时间成本的同时，实现资源的最优化利用。

一、光纤传感技术概述

    光纤传感技术主要是借助光纤传感器完成相关参数的测试和汇总，以此评估被测设备的相关情况。将光纤传感器应用在桥梁检测工作中，要对桥梁主体结构承受作用力大小数值、桥梁结构完好性、桥梁主体结构承重应力等进行集中分析和检测，从而全面评估侨联结构的质量水平，以便于能陆续开展后续作用，维持桥梁整体安全性水平。

（一）组成

光纤传感器设备主要包括光源、光纤和探测器三个组成部分。见图1。

图1 光纤传感器组成

1）光源，负责向光纤提供对应的发射光。

2）光纤，完成发射光的传输，将其直接传递到调制区域。在调制区域，光会与被检测桥梁位置形成相互作用，此时，光源结构的强度参数、相位参数、频率参数以及偏振态等都会出现不同程度的变化，就能实现普通光向特殊信号的转变。

3）探测器，特殊信号经过探测器接收和分析过程，就能形成数字信号，汇总在接收端。

（二）原理

    若是按照检测范围和检测精度，光纤传感器一般分为点式光纤传感器、积分式光纤传感器、分布式光纤传感器，其中，分布式光纤传感器应用范围最为广泛。在实际应用中，分布式光纤传感器借助散射返回的能量，就能有效反映出光纤分布的实时性变化参数，融合时域反射技术、干光频域反射技术、非相干光频域反射技术等，能在无损状态下完成桥梁相关参数的分析，并对相应位置予以定位[1]。

（三）优势

之所以利用光纤传感器替代传统设备，是因为光纤传感器有效将无损检测、在线监测等新型技术体系予以融合，打造更加可控且合理的复合型技术模式。

首先，光纤传感器能实现长时间的稳定运行，且测量精度较高，配合对应的测量方案就能有效实现多测点分析。

其次，光纤传感器的安全性、可靠性以及耐腐蚀性较好，在较为恶劣的环境下依旧能实现完整检测分析。由于桥梁结构是室外结构，外界对其产生的影响较大，并且，桥梁结构会大面积使用混凝土、钢筋等结构单元，耐腐蚀性测试工作非常关键，只有落实统一分析机制，才能有效提升其应用水平。

最后，光纤传感器自身的自重较轻且体积小，便于携带和运输，加之其测量范围广泛，在现场测定工作中能发挥优势。

除此之外，光纤传感器利用集成化技术处理，能大大降低桥梁检测工作项目的检测成本，借助串接复用的方式能实现精准测定和评估，利用聚合处理的方式还能形成较为完整且科学的传感网络，保证工程结构检测工作顺利展开。

二、桥梁结构检测中应用光纤传感技术内容

在桥梁结构检测中应用光纤传感技术，要结合技术要求和工程项目的具体情况落实相应的工作，确保实时性分析的合理性和规范性，并最大程度上满足应用控制的标准，发挥技术优势作用的同时，还能为桥梁工程项目安全施工提供保障。

（一）桥梁振动检测

主要是借助光纤传感技术进行桥梁振动的实时性检测分析，能获取桥梁工程项目整体或者是局部位置的振动参数，包括频率参数、振幅参数等。

操作人员要将信号光纤直接安装在桥梁结构的表层或者是预埋在桥梁结构的内部，光纤传感器会在桥梁发生振动后形成对应的振动响应。与此同时，设备终端输出的光参数就会产生不同程度的周期性变化。光探测器接收振动信号要进行FFT分析，最终能获取桥梁结构的振动频率和振动周期等信息，这对于施工部门更好地掌握桥梁结构应用要点具有重要的意义[2]。

（二）桥梁应力、应变检测

对于桥梁安全检测工作而言，桥梁结构内应力检测分析是非常关键的环节，要进行精细化分析和测定，然后完成桥梁结构安全效能的评估工作。目前，在桥梁结构内应力检测分析工作方面，一般是借助F-P光纤传感器以及光纤布拉格光栅传感器，能建立协同化处理模式，以保证检测工作的精细化水平符合预期。

F-P光纤传感器主要是对桥梁结构的局部工程段进行应力测试，汇总局部结构应力情况，以便于能开展整体结构应力的评估工作。光纤布拉格光栅传感器（图2）是对桥梁工程项目进行应力情况的实时性监测，从而开展统筹管理工作。

图2 光纤布拉格光栅传感器组成

例如，山东省H公路大桥是黄河中下游跨度较大的桥梁结构之一，桥梁载荷较大，为了便于实时性观测其应力情况，采取的是F-P光纤传感器，主要开展静态测试和动态测试。经过阶段性测试结果显示，光纤传感器的分辨率能达到0.13，满足实时性测试的分析需求，甚至能有效显示出不同车辆同一个速度状态下经过桥梁后，桥梁结构内部应力参数的变化。

（三）桥梁混凝土检测

在桥梁结构检测工作中，作为关键材料的混凝土也是重要的检测对象，要整合具体工作环境，全面分析桥梁结构动态后落实相应工作。因为桥梁结构一般的使用年限较长且处于室外，环境侵蚀作用、长期车辆碾压作用等，都会影响混凝土的结构质量，可能存在裂缝问题。若是按照裂缝结构的特点，一般分为贯穿性裂缝和深缝。其中，贯穿性裂缝会严重破坏桥梁结构的安全性，使得桥梁的承载力大打折扣，甚至会出现桥梁坍塌的隐患。因此，要对桥梁混凝土结构进行规范化检测，充分了解桥梁是否存在内部损伤等问题，以便于能及时根据预警信息开展修复工作，实现安全管理的目标。

利用光纤传感器进行混凝土检测分析时，能匹配分布式检测处理模式，有效规避了传统电检测空间不连续造成的检测误差，最大程度上减少漏检或者是漏报等问题。与此同时，光纤传感器的架设和预埋非常便捷，不会对混凝土造成影响，也不会出现性能和力学参数的改变。

（四）钢筋结构检测

对于桥梁结构而言，钢筋也是主要的承力构件之一，一旦钢筋出现严重的腐蚀情况就会对桥梁结构的安全性产生影响，所以，要配合实际应用环境进行钢筋结构的实时性检测分析，及时发现问题并采取相应的处理措施，从而共同维护桥梁结构的安全性。

利用光纤传感器对钢筋腐蚀点进行检测，频带光源会发出光耦合，此时，进入到测试光纤后，开窗区就会形成对应的反射效果。若是光纤和被检测钢筋结构的距离在10mm以内，则光信号会直接照亮钢筋结构，光此时被钢筋表面局部区域予以颜色调制，返回后的颜色调制信号借助标准分光仪器传感器接收。为了能提升检测分析的综合效果，能在一根光纤结构上同时开设不同的“窗口”，基柱复合系统就能对不同开窗区返回的腐蚀信号进行汇总，从而形成统一的评估内容，保证钢筋结构腐蚀测试工作的准确性和完整性[3]。

（五）其他项目检测

为了满足桥梁安全施工的要求，在检测工作中，要践行全过程检测分析机制，确保具体问题具体落实。

第一，对桥梁受力结构附件予以检测，基于桥梁整体安全性评估要求，要开展规范化检测处理。主要的结构附件包括悬索桥主缆结构、吊杆结构、拱桥结构、系桥结构等，汇总检测分析数据后，就能更好地开展后续作业，确保整体安全性。

第二，对已经建成的桥梁进行状态评估和健康监测，结合评估以及监测分析的结果，就能建立相匹配的工艺调整方案，从而验证分析计算中的相关内容是否合理，保证桥梁结构安全性和应用可靠性，避免其出现异常现象造成严重的经济损失和人员伤亡。

第三，对桥梁结构一些土木工程结构元件进行测试，包括预应力锚固构件，完成检测分析的同时，对比标准结构参数后，就能开展实时性调整工作，并注重关注参数大小和分布变化等，以便于能全面评估桥梁结构的实际使用性能。

三、工程案例

某大型桥梁工程项目全长510m，两岸接线长度均为0.3km，两岸道路和轴线以平面交叉的形式连接，上部构造为PC斜拉桥和简支T梁结合。结合工程项目实际情况，为更好地维持工程安全性和稳定性，在施工项目刚刚竣工还没有通车的情况下，施工部门采取光纤传感器对其进行全面检测分析，获取对应参数。主要采取的是静态标定的方法，光纤传感器的静态特性指的就是静态标准条件下的测试，在确定静态标准条件后选择精度一致的标定仪器设备。本工程项目采取的是金属片，丝杆推进下压杠杆，金属片拉伸就会形成不同程度的形变[4]。

首先，利用传感器全量程划分间距点的方式进行初步描述。

其次，结合传感器量程分布点的具体情况，从小到大逐次输入标准量，并记录相关输入量对应点的输出值。

最后，进行反复测量和数据的记录，并对数据予以分析处理，结合处理结果确定传感器的线性度、重复性静态指标，就能获取标定曲线，依据斜率获取光纤传感器测量后应变测量数值的关系。

    相较于传统的检测技术，光纤传感器检测获取的测量结果与理论数据之间更为贴合，并且能保证采集数据测定分析的及时性和规范性，保证统一测评工作的实际价值，为桥梁结构统一安全管理和质量控制提供保障。

结束语：

    总而言之，在光纤传感器技术应用过程中，要结合桥梁结构的具体应用要求和安全标准，确保能落实规范化测定分析工作，从而最大程度上提高桥梁结构的质量水平，借助桥梁检测工作及时发现问题并处理，也能为日后运营养护提供保障，促进桥梁工程可持续健康发展。

参考文献：

[1]于凯,杨剑创,徐绍滨. 光纤传感技术的桥梁结构检测分析[J]. 运输经理世界,2021(2):71-72.

[2]胡建新. 基于光纤传感技术的桥梁结构检测研究[J]. 低碳世界,2019,9(4):243-244.

[3]甘维兵. 基于光纤惯性传感的桥梁结构线形检测关键技术及应用研究[D]. 湖北:武汉理工大学,2018.

[4]黄艳红,高晓蓉,杜路泉. 光纤光栅传感器在桥梁缺陷检测和结构健康监测中的应用[J]. 铁道技术监督,2020,35(11):17-20.