桥梁结构健康监测系统中的传感器技术与智能信息处理

近几十年来，我国的桥梁建设突飞猛进，仅就公路桥梁而言，到20世纪90年代末，全国总数已达22万多座，其中有许多是在交通运输中占有重要地位的大型桥梁，如黄河和长江上就已经有110余座各类结构的大桥。多年来，如何实现对特大型混凝土桥梁施工阶段的健康监测，如何才能掌握大桥施工过程中各个施工阶段混凝土中的应力变化情况，一直是桥梁工程师们普遍关心的问题。随着人们对桥梁结构健康监测的重视，传感器系统的研究和应用在国内发展迅速。润扬长江公路大桥对揽索、主梁和索塔进行监测，并且布置了241个传感器。南京长江大桥上安装的健康监测系统，主要进行温度、风速风向、地震及船舶撞击、墩位沉降，以及恒载几何线形、结构振动、支座位移等方面的监测。其他如滨州黄河公路大桥虎门大桥、杭州文晖大桥、重庆大佛寺长江大桥以及渤海海洋石油平台等都已经安装了健康监测系统。

一个完整的结构健康监测系统包括传感、传输、信号处理、信息融合、损伤评估和决策等多个方面，一般有以下四个主要问题^[34]。

1）监测设备的实用性、适用性。包括传感器的灵敏性和精度、数据传输和采集设备的适用性能。

2）传感器的优化布置问题。传感器的测点监测获得的信息应该尽可能地包括结构整体和局部的信息，而且这些信息对结构的损伤应足够敏感，特别是对早期结构损伤的敏感度。而且在实际工程中，由于传感器的成本昂贵不可能布置足够多的传感器，而且传感器测点位置的针对性要求比较高，所以传感器的优化布置意义重大。

3）采集数据的有效性。结构健康监测采集的数据中不仅包含大量的结构信息，而且包含了很多的测试噪声，因此从大量包含噪声的信息中提取结构真实的信息，也是健康监测中的关键问题之一。

4）安全评价及决策。健康监测系统的根本问题不是“传感器技术”，而是安全评价及系统。传感器只是工具，而后端的数据处理是非常重要的。监测系统产出的数据如何分析、如何对结构状态进行评价则是最终目的和根本问题。

由于缺乏可靠、方便、可以实现长期自动监测的结构状况信息采集技术，对于特大型桥梁健康状况的监测与评定至今尚未得到很好的解决。传统的监测手段（如电阻应变片、钢弦等测量技术）日益暴露出灵敏度低、长期稳定性差、寿命短等缺点，无法满足监测长期稳定的要求，很难用来完成大桥施工过程中结构应力的监测。国内外工程实践表明：光纤光栅传感是当今工程结构中首选的传感方式，它能满足对结构监测的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求。本书结合理论计算对比，着重对光纤传感技术在特大跨桥梁施工监测中的应用进行了系统的研究，论证了光纤光栅用于大型桥梁施工监测的优越性。

如图2-10所示，光纤光栅传感的基本原理是，当光栅周围的温度、应变、应力或其他待测物理量发生变化时，将导致光栅周期Λ或纤芯折射率n_eff的变化，从而使光纤光栅的中心波长产生位移Δλ_B，通过检测光栅波长的位移情况，即可获得待测物理量的变化情况。光纤传感技术是在光电子技术、工程结构无损检测技术、计算机技术、在线监测技术的基础上发展起来的跨学科工程研究领域^[36]。是继电测技术之后传感技术发展的新阶段。光纤传感器与传统的机电类传感器相比具有很多优势：

图2-10 光纤光栅传感原理

1）长期稳定性好；

2）测量精度高；(https://www.xing528.com)

3）实现多点分布式测量；

4）实现远距离遥控监测；

5）安全可靠、耐腐蚀；

6）体积小，重量轻，几何形状可塑；

7）测量范围广。

同时由于光纤传感具有集成化、本征性、低成本的特点，能串接复用、通过一根光纤能提供各种物理参量的精确和绝对测量的优点，并且它们的物理载面和力学强度小，在粘贴或嵌入到主体中不会对其性能和结构造成影响；且能进一步集合成分布传感网络系统，广泛应用于对工程结构的应力、应变、温度等参数，以及对结构裂缝、整体性等结构参数的实时在线监测。总之，作为当今工程结构中首选的传感方式，光纤传感能满足对结构监测的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求。

采用光纤应变传感器对巴东长江公路大桥进行施工过程中主梁、索塔控制截面的应力进行全程跟踪监测，其目的有以下几点：

1）利用光纤应变传感器实现应力变化绝对测量，监测主梁、索塔控制截面的应力随大桥各施工阶段变化而变化的规律，为大桥施工的各个阶段提供准确可靠的测试数据，正确评价大桥各施工阶段的受力状态和结构性能，以保证工程施工质量和施工安全；

2）为大桥建成以后运营阶段的长期健康监测和状态评估，完善桥梁结构的设计理论和施工工艺，验证分析计算中基本假定的合理性和科学性，提供完整可靠的科学依据；

3）推动光纤传感测试技术在我国特大型桥梁结构健康监测中的应用和发展。