在過去的幾十年里，基于振動的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（VBSHM），以其良好的應(yīng)用前景，特別是對大跨度橋梁，已成為目前結(jié)構(gòu)工程界研究的熱點(diǎn)。
但目前損傷診斷技術(shù)在工程實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用，仍然存在一些問題亟待解決。例如，許多現(xiàn)有的損傷評估理論方法已被證明適用于考慮噪聲的數(shù)值模擬案例，以及簡單的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，但從未應(yīng)用于實(shí)際結(jié)構(gòu)中。此外，在觀察期內(nèi)發(fā)生的損傷也很不明顯。其次，由于溫度等環(huán)境因素的影響，模態(tài)特性對損傷的敏感性也很難處理。而且測量到的噪聲和荷載，可能會破壞觀測到的模態(tài)特性與損傷之間的變化關(guān)系。這也使得我們需要在一段時期內(nèi)對整個環(huán)境影響范圍進(jìn)行監(jiān)測，然后通過統(tǒng)計(jì)法過濾掉大部分的影響因素。第三，雖然我們主要研究的是早期發(fā)現(xiàn)的輕微損傷，但是這類損傷對局部缺陷的敏感性較小。最后，為了開發(fā)連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對于數(shù)據(jù)的處理和條件解釋應(yīng)該以(半)自主的方式進(jìn)行。筆者認(rèn)為，不需要復(fù)雜的雙數(shù)值模型，而是基于處理后的振動數(shù)據(jù)的損傷檢測方法具有明顯的優(yōu)勢。
光纖傳感器的引入，可以準(zhǔn)確地測量動態(tài)應(yīng)變，且安裝方便，在惡劣環(huán)境下可以保持穩(wěn)定，易于在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中使用。
光纖布拉格光柵(FBGs)可以直接、準(zhǔn)確地測量微小的動力應(yīng)變，且易于復(fù)用，成本相對較低。它也被用于橋梁等各類結(jié)構(gòu)的實(shí)時靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測中。在環(huán)境激勵下，光纖布拉格光柵可以高精度地測量非常微小的動態(tài)應(yīng)變，從而推導(dǎo)出精確的固有頻率和模態(tài)應(yīng)變。由于多路復(fù)用，模態(tài)應(yīng)變可以在一個非常密集的柵格中得到。
本文針對光纖光柵的實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種帶有可調(diào)諧激光器的光纖光柵詢問器，利用波長掃描技術(shù)對每個光纖光柵傳感器進(jìn)行單獨(dú)掃描，以獲得較高的波長分辨率，從而得到較高的應(yīng)變測量精度。然而，掃描也使光纖光柵傳感器之間產(chǎn)生延遲，離線同步技術(shù)可在此方面進(jìn)行彌補(bǔ)。下面介紹直接模態(tài)應(yīng)變在預(yù)應(yīng)力混凝土梁和鐵路橋梁損傷識別、狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用。
預(yù)應(yīng)力混凝土梁的損傷試驗(yàn)
根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行漸進(jìn)損傷試驗(yàn)(PDT)和動力試驗(yàn)，并研究溫度作用下對梁動力特性的影響。試驗(yàn)結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土梁，梁長5m，矩形截面24x20cm，邊緣有倒角，采用C70和C85高強(qiáng)混凝土(HSC)。在梁的內(nèi)部，縱向布置5根直徑12.5mm、抗拉強(qiáng)度為1860MPa的低松弛鋼鉸線，其中3根位于梁的底部，兩根位于梁的頂部。鋼鉸線的初始應(yīng)力為744MPa。并采用直徑6mm、間距為150mm的閉環(huán)箍筋。預(yù)應(yīng)力混凝土梁的重量約為580kg,密度是2435kg/m3。
圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土試驗(yàn)梁
漸進(jìn)損傷測試
對該梁進(jìn)行了四點(diǎn)漸進(jìn)損傷試驗(yàn)(PDT)。約束支承距梁端50cm，兩個液壓千斤頂之間相距2m，并用5個線性差分傳感器（LVDT）測量梁的垂直位移。
共進(jìn)行了9次漸進(jìn)損傷載荷循環(huán)，其中前2次載荷步驟為30kN，第4次載荷步驟為10kN。在第9次循環(huán)中，位于梁跨中處的混凝土破碎，荷載值為2P～160kN。所有線性差分傳感器和每個載荷周期的最大撓度如圖2所示，梁跨中位置處的最大撓度（包括最后一個載荷周期）如圖3所示。當(dāng)梁超過開裂荷載2P～55kN時，荷載-撓度曲線斜率在第二周期(幅值為60kN)后發(fā)生了變化。
動態(tài)測試的建立
對試驗(yàn)梁進(jìn)行動態(tài)測試以確定其動態(tài)特性，即固有頻率和應(yīng)變模態(tài)形狀。在漸進(jìn)損傷試驗(yàn)中，各載荷/卸荷周期結(jié)束后，對未損傷的梁和被損傷的梁進(jìn)行動力試驗(yàn)，其動態(tài)特性的變化可用于識別漸進(jìn)損傷。
通過充氣輪胎的試驗(yàn)表明，動態(tài)邊界的條件近似于水平向和縱向自由振動的梁的邊界條件。輪胎放置在梁的下方，當(dāng)輪胎膨脹時，梁端約束不再起作用，而僅靠彈性輪胎的支承約束，這也同時消除了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的支撐底板，因靈活性問題影響測試結(jié)果。
梁在垂直方向上由電動的模態(tài)振動篩進(jìn)行激勵，該振動篩從距梁的左端起3.5m與梁進(jìn)行連接，采用高斯白噪聲(WN)信號，頻率范圍(0-400)赫茲，每次動態(tài)試驗(yàn)持續(xù)時間為70秒。
試驗(yàn)還研究了溫度變化對梁動力特性的影響。因此，試驗(yàn)在漸進(jìn)損傷試驗(yàn)過程中對梁進(jìn)行了長期監(jiān)測，并進(jìn)行了長時間的動力試驗(yàn)，以研究載荷周期內(nèi)梁受不同溫度條件的影響。
在以往類似的大型預(yù)應(yīng)力混凝土梁研究項(xiàng)目中，采用光學(xué)攝像系統(tǒng)從離散點(diǎn)的位移中分離出動應(yīng)變。本文將4根多路復(fù)用光纖光柵應(yīng)變傳感器安裝在梁的四周，每根包含20個光纖布拉格光柵傳感器，以測量梁的動態(tài)應(yīng)變。4根多路復(fù)用光纖光柵應(yīng)變傳感器連接到梁頂部和底部的邊緣一側(cè)，沿縱向通過定制夾緊裝置。兩個夾緊塊之間的距離是25cm, 光纖光柵應(yīng)變傳感器放置在兩個夾緊塊之間，以此測量平均應(yīng)變。
阿布爾鐵路橋（The Arbre Viaduct）是比利時瓦隆地區(qū)一座跨徑2002m的高架鐵路橋，它也是布魯塞爾至法國邊境長達(dá)88km的高鐵1號線(HSL1)的一部分。HSL1又與法國鐵路Ligne a Grande Vitesse Nord (LGV Nord)相連，后者是一條長333km的高速鐵路，連接巴黎和比利時邊境，并通過里爾穿越英吉利海峽隧道。以上兩條線路供歐洲之星、TGV、泰利斯PBA和泰利斯PBKA列車運(yùn)行使用。
阿布爾鐵路橋由36跨預(yù)應(yīng)力混凝土橋組成，跨度從51.6m到63.2m不等，每跨由4座氯丁橡膠支撐，并建在混凝土橋墩之上。圖5中還顯示了高架橋幾乎未受干擾的定位：這正是低環(huán)境激勵的結(jié)果。
該橋橫截面呈U形，如圖6(a)和(b)。出于養(yǎng)護(hù)原因和設(shè)立緊急出口的需要，箱式腹板上設(shè)有開口，如圖6(c)。
對該橋第30跨采用雙鏈光纖光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行監(jiān)測，為期3.5個月。其中一根纖維連接側(cè)壁底部，另一根則連接通道的頂板，采用的是前文介紹的夾緊裝置。兩個相鄰?qiáng)A緊塊間距2.5m,中間放置光纖光柵傳感器。其目的是測量兩個夾緊塊之間的平均應(yīng)變值。每根鏈條中包含20個光纖布拉格光柵傳感器，每根鏈條的第一個傳感器，即波長最低的傳感器，可以自由測量溫度，其余19個傳感器測量橋跨的應(yīng)變。光纖上的保溫罩盡可能地減少了溫度波動對光纖光柵測量的影響。
箱體頂部的熱傳感器還測量了該橋跨的溫度變化。這些額外的溫度傳感器并非固定在橋上，而是記錄傳感器附近的溫度。所有20個傳感器的平均溫度均為實(shí)時記錄。
研究采用基于應(yīng)變的工作模態(tài)分析方法(OMA)，利用基于Matlab工具箱的MACEC軟件，從環(huán)境測量數(shù)據(jù)中提取橋跨的模態(tài)特征，即固有頻率和應(yīng)變模態(tài)形狀。然而，由于結(jié)構(gòu)剛度較高，環(huán)境激勵下的動態(tài)應(yīng)變值非常低。如果在環(huán)境中受到風(fēng)的激勵，或者橋梁附近受到人為因素的激勵，這種極低的環(huán)境動態(tài)應(yīng)變一般不會發(fā)生。
因此，最終采用列車通過后收集到的自由響應(yīng)應(yīng)變數(shù)據(jù)。該應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)境應(yīng)變，大約為環(huán)境應(yīng)變的100倍。然而，列車在相鄰橋跨上運(yùn)行產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動，對自由響應(yīng)有一定的干擾。
研究各列車通過時，以及在不同溫度下的自由響應(yīng)數(shù)據(jù)，確定了橋跨的第一彎曲模態(tài)，并根據(jù)監(jiān)測期間的溫度范圍，建立了34個溫度組。而且，還對模態(tài)應(yīng)變進(jìn)行了與預(yù)應(yīng)力混凝土梁相似的標(biāo)準(zhǔn)化處理。不同溫度組的置信區(qū)間完全重疊，且其起伏幅度幾乎相同。由此可見，對于當(dāng)前橋跨，溫度對應(yīng)變模態(tài)沒有明顯影響。
光纖布拉格光柵傳感器可以非常精確地記錄靜態(tài)和動態(tài)應(yīng)變，其精度高于傳統(tǒng)應(yīng)變儀。在幾乎所有情況下，在操作或環(huán)境條件下，可以準(zhǔn)確地從光纖布拉格光柵應(yīng)變中識別出固有頻率和應(yīng)變。多路復(fù)用可在各種位置測量得到應(yīng)變值，這也是定位損傷、量化損傷最需要的功能。
預(yù)應(yīng)力混凝土梁的漸進(jìn)損傷試驗(yàn)表明，固有頻率取決于損傷程度和溫度。因此，固有頻率只能作為排除溫度影響后的損傷指標(biāo)。相反，試驗(yàn)結(jié)果表明，振動模態(tài)在很大程度上依賴于溫度，這使得模態(tài)特性在損傷評估中具有說服力。隨著損傷程度的增加，模態(tài)特性變化愈加明顯，且這些變化的位置與損傷的位置直接相關(guān)。當(dāng)光纖布拉格光柵鏈連接在梁體結(jié)構(gòu)的頂部和底部時，假設(shè)位置高度產(chǎn)生的變化使應(yīng)變按照線性進(jìn)行變化，梁中性軸的位移與所產(chǎn)生的損傷直接相關(guān)，不需要額外建立數(shù)值模型進(jìn)行分析。
通過光纖布拉格光柵傳感器在阿布爾鐵路橋第30跨上的長期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在列車通過過程中準(zhǔn)確記錄了主梁的動態(tài)應(yīng)變。然而，由于該橋跨的位置受干擾的幾率非常小，所以在環(huán)境條件下的應(yīng)變值極低。此外，列車通過后的自由響應(yīng)，可以確定第一彎曲模式的固有頻率和應(yīng)變。在3.5個月的監(jiān)測期間內(nèi)，記錄得到的溫差為33℃。溫度對預(yù)應(yīng)力混凝土梁的應(yīng)變模態(tài)沒有明顯的影響，佐證了預(yù)應(yīng)力混凝土梁的試驗(yàn)結(jié)論。
由于固有頻率和模態(tài)特性可以從較小的振動中分離出來，光應(yīng)變傳感器陣列對于狀態(tài)監(jiān)測具有很大潛力。此外，光應(yīng)變傳感器陣列不受溫度影響，對局部小范圍損傷非常敏感，可直接用來描述損傷。
