確保當前基礎設施的安全性和可靠性，是當今我們必須要面對的，因為它比以往任何時候都更加迫在眉睫。為了不對氣候變化產生更大的影響，並與可持續的經濟和環境政策保持一致，最大限度地發揮已經存在的基礎設施的能力並發掘其潛力，至關重要。目前大多數建築物都是在第二次世界大戰後建設熱潮期間建造的。然而現在，這些建築物已經到了使用壽命的終點。
老式的監測方法
結構健康監測（SHM）在過去幾十年中得到了廣泛的研究。SHM對現有結構的優化評估和維護政策非常重要。儘管如此，SHM尚未在土木工程基礎設施中得到大規模和系統的應用。這主要是由於缺乏可靠且價格合理的通用監測解決方案。過去最常用的SHM方法是基於電應變傳感器、加速度計、傾斜儀等，這些方法在應用於實際結構時遇到了一些挑戰。直到最近幾十年，SHM的解決方案都是基於使用離散傳感器，收集和進一步分析有限的實驗數據量，以及結合現場數據的記錄和手動或半自動的後處理使用。在動態SHM的情況下，大多數方法都是基於模態參數的識別和比較。
圖1 西班牙塞維亞市的Alamillo斜拉橋
這種「老式」程序的一個例子是1992年,在Alamillo斜拉橋(圖1) 施工和初始服務期時布置的SHM，但直到最近幾年仍在使用。儀器和採集系統布置在這樣一個重要的斜拉橋上，而且這又是第一次使用無背索的斜拉橋設計，因此必須對建築和服務階段進行全面監控。如圖2顯示，包括塔頂的一組三軸加速度計和橋面板上的三個單軸加速度計。在加速度傳感器的信號放大後，通過使用雙通道示波器,「現場」對數據進行部分檢查，然後以簡單的方式進行數字化和記錄，以便在辦公室進行進一步的全面檢查和分析。
圖2 OBR傳感器的加載布置和位置
隨著傳感技術的快速發展，在未來，數據分析和數學工具（大數據軟體）將會用在結構健康監測中。例如，利用分布式傳感器和傳感器網絡，可以在每個實驗設置中獲得大量的數據，這些數據可以通過遠程和無線通信進行輕鬆的傳輸。獲得的海量信息需要大數據進行處理，包括數據驅動方法、模式識別、聚類方法、神經網絡和遺傳算法等。此外，正在廣泛研究使用不同於模態參數（固有頻率、模式形狀和阻尼）的振動參數作為損傷識別的特徵。
為了便於在橋樑服役條件下全面實施SHM，其新趨勢仍在研究中。而基於分布式光纖傳感器（DOFS）的分布式傳感技術，是目前最有前途的傳感技術之一。
分布式光纖傳感器
光纖傳感器（OFS）採用分布式方式，與其他OFS具有相同的優勢，即較高的穩定性、耐用性，且體積小、抗外部電磁干擾能力強。在大型結構的監測中，可以提供結構精確、同時連續監測數千個點的能力，由於使用單個傳感器，操作簡單、成本低。
其工作原理是：在監測環境發生應變和溫度變化時，光纖內的散射信號將發生變化，從而實現分布式傳感。散射是真正分布式光纖傳感器的起源，它可以簡單地定義為光與光學介質之間的相互作用。在DOFS中可以產生三種不同的散射過程，具體來說是：拉曼散射、布里淵散射、瑞利散射。然而，最大的挑戰是開發這些具有適當靈敏度和空間解析度的傳感器。
基於布里淵散射的多自由度測量系統，由於其測量範圍很大，對於大跨度橋樑、隧道、管道和水壩等大型結構的監測非常有用。該技術具有相當低的空間解析度，僅為1米，這極大地限制了基於這種散射系統進行的損傷檢測。另一方面，基於瑞利散射的光學背散射反射計（OBR）技術，可以提供高靈敏度和亞毫米級的空間解析度，能夠檢測、定位和量化損傷。該技術包括測量信號的頻率響應，其光學頻率能夠擴展到幾十納米的帶寬內進行線性掃描。
OBR在土木工程混凝土結構健康監測中的應用,引起了人們的極大興趣,因為在這種類型的結構中，不可能準確地預測出每個可能產生的裂縫的確切位置，這樣就避免了嚴重的裂縫產生。然而,由於混凝土的特性(材料的粗糙度和不規則性）,如果沒有適當的布置和粘合技術，則不能保證傳感器與被監測結構之間的完全粘合，以及從基材到傳感器的正確傳輸。一些研究已經解決了在靜態載荷下，DOFS正確地發揮粘合特性和執行粘合程序，以及疲勞的問題。
實驗室測試
在將DOFS應用於實際結構之前，對其可靠性和性能進行了兩次試驗研究，目的是檢驗對混凝土構件彎曲和剪切裂縫進行監測的可行性。
彎曲試驗
OBR測量系統被安裝在加泰羅尼亞技術大學（Technical University of Catalonia）結構技術實驗室的一塊混凝土板中。鋼筋混凝土板長度為5.6米，寬度1.60米，厚度0.285米。板的兩端按照簡支梁進行約束，並且在板的跨中位置使用1MN容量的控制器施加載荷。然後在板的頂部和底部表面用OBR傳感器進行監測。
圖3 傳感器1和2的位置（左:板正面，右:板底部和中部）
使用的光纖是長度為50米的單模光纖（SMF）。為了纖維免受劃傷和環境破壞，一種聚合物（聚醯亞胺）塗層被用來保護纖維。首先，清潔粘合區域，洗凈並去除油脂。將一種工業膠水塗在粘合區域，即混凝土表面上，但注意不要施加過量的粘合劑。所用的膠水為單組分（不混合）化學型氰基丙烯酸乙酯，具有低黏度。操作過程中避免使用刷子塗抹粘合劑。
接下來，用動態應變儀對混凝土板中的鋼筋進行監測，線性位移傳感器（LVDT）測量板的中心和兩端的撓度，磁傳感器「Temposonics」記錄混凝土板中的接縫開口，其目的是將DOFS的結果與標準儀器提供的結果進行比較，用於裂縫寬度的評估。
測試包括通過鋼架上的液壓千斤頂增加荷載，直到板發生破壞。在加載過程中，OBR系統測量了沿板的應變分布。實測結果與分析預測結果吻合較好，在50KN處(與理論開裂荷載相對應)的跨中位置，首先出現明顯的應變分布峰值。峰值的位置與試驗中肉眼觀察到的裂紋位置相當吻合。
在此基礎上，結合應變計和LVDT標準監測的其他實驗結果，提出了一種獲得平均裂縫寬度的方法。實際上，通過得到混凝土表面沿纖維方向的應變，可以得到平均裂縫寬度的表達式。該方法是基於對沿特徵長度L的實驗應變分布進行積分。為了整合併獲得平均應變，應變分布由對應於混凝土抗拉強度值的應變給出。這是裂縫出現的應變值。在該標準下，首先取一段長度為L的裂縫，從總應變曲線下的面積積分得到平均應變。該平均應變由兩個組成部分：一是混凝土開裂前的變形，二是開裂區域的裂縫初始變形。因此，可以計算出裂縫區域中所有裂縫的寬度之和。最後，定義平均裂縫寬度。
圖4 對受剪切的混凝土構件進行裂縫監測
該方法可以應用於不同的荷載水平，以便了解裂縫寬度隨荷載增加的變化規律。通過裂縫寬度傳感器在跨中實驗獲得的平均裂縫寬度，與用OBR系統記錄的不同荷載水平下得到的平均裂縫寬度作比較，如表1所示。表1中第2列和第3列的值分別為傳感器1和2的值。這些傳感器位於橫截面的兩個不同點上，一個靠近板的邊緣，另一個靠近中心的位置。因此，在第4列中計算了這些值的平均值，作為被調查的斷面裂縫寬度的代表。
需要注意的是，這種比較只在跨中進行，因為這是唯一一個使用傳感器測量裂縫開口(Temposonics)的截面。結果表明，該方法與實驗結果吻合較好。
剪切試驗
在受剪切的混凝土梁中，斜裂縫的傾斜角度是難以預測的。因此，由於斜裂縫不垂直於豎向和橫向配筋，混凝土梁的斜裂縫機理，比軸向力或彎曲引起的裂縫更為複雜。與彎曲情況相比，在梁軸線上出現垂直裂縫的情況下，在剪切作用下，裂縫的傾角對裂縫寬度是一個額外的未知因素。因此，只在一個方向上布置單個DOFS是合適的，因為這個方向是未知的。解決方案可以是在正交方向上布置2個DOFS。通過一系列纖維檢測裂紋，可以得到裂紋的發展過程，從而確定裂紋的方向。為了驗證該方法的可行性，在隨後的實驗室試驗中也採用了DFOS方法，對一組跨度為8米的部分預應力混凝土（PPC）梁施加剪切破壞。使用傳統的離散儀器，對混凝土構件的剪切裂縫模式進行表征，可能是一個非常複雜甚至不可能的問題。
圖5 剪切破壞試驗裝置
由於剪切開裂情況下裂縫傾角未知，因此採用基於OBR的DOFS，對3段PPC梁進行測量。從圖中可以看出，位移傳感器輸出的應變曲線，在水平、垂直和傾斜方向上的展開情況，目的是將DFOS的剪切裂縫寬度結果，與傳感器提供的結果進行對比。
在加載試驗中，通過分析應變，對纖維的每一段進行劃分，可以通過將其與DOFS獲得的應變峰值對應，來確定不同裂紋的位置。由於獲得了高空間解析度的水平和垂直測量值，初步獲得了剪切裂縫形態的痕跡。OBR系統得到的結果，與荷載試驗過程中目測到的現場剪切裂縫形態吻合較好。
與彎曲的情況類似，基於DOFS在水平和垂直方向上獲得的應變分布結果，開發了一種計算剪切裂縫寬度的方法。OBR法得到的平均剪切裂縫寬度和I-2梁腹板上的位移值，如表2所示。並考慮對角線電位計D1和D2進行比較。一般來說，在每種儀器中得到的裂紋寬度的大小順序是相似的，特別是在裂紋寬度開始增大的載荷水平下。需要考慮的是，結果的比較只能在位移所覆蓋的總裂紋區域內取平均值。
圖6 OBR系統給出的裂紋形態結果與現場試驗的結果相吻合
實際應用案例
在實驗室對受彎剪作用的混凝土構件進行裂縫監測時，DOFS性能表現良好，並將該監測技術應用於巴塞隆納的兩個實際結構中。一個是磚石結構，另一個是預應力混凝土橋樑。在這兩種情況下，在修復或加固工程中監測結構，並使用DOFS作為監測技術的理由是，結構的某一部位可以提供精確的信息，並且靈敏地反映結構中的重要變化，雖然這可能會給操作者帶來不安全的情況。但是應該考慮到在這兩種情況下，這些結構都必須在維修工程期間繼續使用。在開發這類傳感技術時，將通過實驗室試驗獲得的知識，轉移到現實世界的情景中，總是很重要的。
聖保羅醫院
圖7 聖保羅醫院主樓景觀（聯合國教科文組織世界遺產）
一個有趣的應用是DOFS在歷史遺蹟中的使用。如本例中所示，這座被聯合國教科文組織認可的世界遺產——聖保羅醫院，也是加泰羅尼亞建築在現代主義運動中的一個精美範例。經過多年的運營，由於其中一層的一些磚砌石柱出現裂縫，特別是兩根柱子上出現了危險的損壞跡象，因此其結構的特性引發了人們的關注，並決定更換它們。由於上述樓層是為術後進行康復的病人提供的地方，在修復工程進行期間也不能疏散病人，因此有必要在大樓正常服役的情況下進行加固工作。傳統的離散監測傳感器(應變儀、LVDT)難以實現對所有受影響區域的連續監測。因此，為了分析和監測在更換過程中，柱子支撐樓板的正確應力分布，以一種經濟有效和真正分布的方式，在樓板中布置了一個DOFS，由砌體磚製成。否則，將需要大量的、負擔不起的傳感器。DOFS監測系統被放置在一個對運動演化、裂縫形成和擴展敏感的重要區域。因此，以空間解析度為1厘米，一個有5000個傳感點的長50米的分布式光纖，對上述柱子的頂面進行了連續的監測。
圖8 DFOS粘結在砌體屋面底部
有了這種解決辦法，就有可能監測出由於移出和更換柱子時所引起的應力變化，並評估整個作業的安全性和穩定性。例如，圖9顯示了5000個監測點之一的應變隨時間的變化。從應變譜中可以看出拆除和更換作業的時間。同時，整個施工過程中應變增量較低，說明在控制範圍內的修補作業和砌體材料的最大允許應力，在任何時候都沒有超出範圍。
圖9 穹頂1點的應變隨修復活動的演化
塞拉耶佛橋（巴塞隆納）
圖10 位於巴塞隆納北部入口的塞拉耶佛大橋
通過基於OBR的DOFS，對位於巴塞隆納市主要入口之一的預應力混凝土橋進行了監測。該橋是一個雙跨簡支的橋樑，跨度分別為36米和50米。每個跨度由三片預應力混凝土小箱梁組成，橋面板為鋼筋混凝土板。
為了進一步增加行人流量和通行能力，以及考慮橋樑美學，決定增大橋面板。這一過程還包括為行人增添金屬網架保護裝置。工程於2015年夏季開始。由於橋樑位於城市的一個主要入口處，每天的交通量較大，關閉橋樑進行橋面拓寬是不可取的。此外，由於在尖峰時間進入城市的交通流量很大，無法關閉任何現有的橋下交通車道以提供臨時支持。由於橋樑的荷載模式發生變化，缺乏臨時支撐。在拓寬操作期間，有可能在材料中引起應力變化。因此，當局決定進行監測，以檢測橋樑結構行為的重大變化，並獲得信息，以評估施工期間和結束時的結構安全性。為了儘可能多地監測橋樑情況，在對可能的應力增量和開裂更敏感的區域內粘合了兩個傳感器。在這個應用中，兩個50米長的光纖（其中36米與結構連接，其餘部分沒有粘接以獲得溫度補償效果）被布置在荷載最大的箱梁內。放大過程和隨後的監測期延長至幾個月，從2015年夏季開始到2016年冬季結束，環境溫度變化非常顯著。因此，主要的挑戰是去除溫度效應之後，分析DOFS中獲得的大量數據。
圖11 塞拉耶佛橋上基於DOFS的OBR總體方案
為了更好地觀察應變分布，對傳感器DOFS2的S1、S2、S3和S4段的物理應變進行了空間平均，並繪製在圖12中。在S1區段中，平均物理應變值，低於通常存在於其餘的DOFS長度中的應變值。這種下降是由於支撐系統(彈性連接)對橋樑運動學的影響。箱梁其餘部分的平均應變分布基本一致。這意味著施加在橋面上的，能夠產生沿橋底應變變化的力非常小，因此應變的變化主要是由於箱梁在夏季到冬季溫度下降時存在均勻的收縮。因此，通過使用這種特定的監測系統，可以評估在沒有引起橋樑應力狀態的顯著變化的情況下，由於橋面擴大所引起的應力變化。此外，監測系統沒有檢測到裂紋。
圖12 傳感器DOFS2中應變(溫度補償後)沿監測梁不同截面隨時間的演化
在實驗室和實際結構中的經驗，已經顯示出使用新型DOFS的可能性，這成為在大型結構的SHM中使用分布式傳感器的新趨勢。
本文刊載 /《橋樑》雜誌 2019年 第5期 總第91期
作者 / Joan R. Casas（西班牙）
作者單位 / 巴塞隆納科技大學橋樑工程系