12/30/2020，光纖在線訊，Cut River大橋是一座位于美國密歇根州密歇根上半島2號(hào)公路沿線的跨河橋梁，被列入美國國家歷史名勝名錄，是密歇根州最著名的歷史性橋梁之一。Cut River大橋作為試點(diǎn)項(xiàng)目也將被應(yīng)用于密歇根州其他橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，從項(xiàng)目中汲取的成功經(jīng)驗(yàn)將助力密歇根州交通部（MDOT）將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SHMS）更好的應(yīng)用于其它橋梁。

橋梁采用LUNA的技術(shù)研究結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SHMS），使用傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)性能、評(píng)估安全性和動(dòng)力性能，助力橋梁規(guī)劃應(yīng)用和資產(chǎn)管理。利用SHMS可以監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況，并通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)構(gòu)構(gòu)件的臨界承載力。監(jiān)測(cè)可作為橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件潛在臨界應(yīng)力的預(yù)警系統(tǒng)，在事故發(fā)生前防患于未然。系統(tǒng)可通過設(shè)置安全的臨界應(yīng)變值并觸發(fā)預(yù)警，提醒MDOT對(duì)橋梁的潛在風(fēng)險(xiǎn)作出快速響應(yīng)。SHMS能夠確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的荷載分布，并監(jiān)控構(gòu)件損傷和結(jié)構(gòu)剛度變化等情況。通過精確測(cè)量結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的應(yīng)力，可以更好地評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的安全承載能力，幫助MDOT準(zhǔn)確評(píng)估橋梁風(fēng)險(xiǎn)并規(guī)劃維修方案，通過比較改造前后的應(yīng)變值，監(jiān)測(cè)維修的有效性，這也有助于評(píng)估橋梁的剩余使用壽命。同時(shí)，Cut River大橋作為試點(diǎn)項(xiàng)目面臨著諸多挑戰(zhàn)，包括獨(dú)立偏遠(yuǎn)的位置、不易通電、橋址處的極端天氣條件以及橋梁與監(jiān)控位置之間的遠(yuǎn)距離通信。

為了進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM），在橋梁結(jié)構(gòu)的幾個(gè)主要抗拉構(gòu)件上安裝了16個(gè)光纖應(yīng)變計(jì)（下圖），在四個(gè)光纖應(yīng)變計(jì)附近安裝了四個(gè)溫度傳感器。溫度傳感器有助于校正溫度效應(yīng)所引起的應(yīng)變計(jì)“偏移”。為了了解由于橫穿橋梁的卡車荷載所造成的應(yīng)變情況，在橋梁以東大約兩英里處的道路下方設(shè)置了動(dòng)態(tài)稱重（WIM）站，為在橋梁路面上行駛的卡車提供軸重和軸距。

通過點(diǎn)焊安裝將光纖傳感器安裝在鋼材料表面，覆蓋并保護(hù)免受外部因素影響，應(yīng)變計(jì)用膠帶覆蓋，并涂上有機(jī)富鋅底漆。

LUNA的光纖應(yīng)變計(jì)具有諸多優(yōu)勢(shì)，支持更大的應(yīng)變范圍、更長的疲勞壽命、不受周圍電磁波的影響以及更快的采樣率；應(yīng)變計(jì)結(jié)果通過溫度傳感器進(jìn)行補(bǔ)償；應(yīng)變計(jì)和溫度傳感器能夠協(xié)同工作，以提供橋梁應(yīng)變的精確測(cè)量。

應(yīng)變計(jì)安裝在橋梁南北結(jié)構(gòu)的內(nèi)外表面，共16個(gè)位置。溫度傳感器安裝在一個(gè)對(duì)角線和一個(gè)頂部水平桁架構(gòu)件處靠近應(yīng)變計(jì)的位置。

當(dāng)光通過光纖和傳感器時(shí)，波長會(huì)隨著光纖布拉格光柵傳感器中應(yīng)變的變化而變化，從而監(jiān)測(cè)橋梁構(gòu)件的變化。LUNA的光纖光柵傳感解調(diào)儀與傳感器結(jié)合使用能夠連續(xù)測(cè)量波長，由于條件因素影響，設(shè)備將由來自混凝土拱頂?shù)?2V直流太陽能發(fā)電系統(tǒng)供電，解調(diào)儀的數(shù)據(jù)將通過一組天線進(jìn)行傳輸并從聯(lián)網(wǎng)電腦獲取。


上圖顯示了卡車穿過橋梁并經(jīng)過每個(gè)應(yīng)變計(jì)時(shí)的數(shù)據(jù)，5軸卡車總重52.1 kips，總長64.3英尺。

Cut River大橋項(xiàng)目的數(shù)據(jù)是從位于橋梁辦公室的電腦上采集到的，也可以從任何一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)電腦采集。數(shù)據(jù)收集過程的另一個(gè)目標(biāo)是獲得過橋卡車的重量和車軸配置及其在橋梁構(gòu)件中造成的應(yīng)變影響。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將卡車信息與應(yīng)變信息關(guān)聯(lián)起來，有助于根據(jù)現(xiàn)行AASHTO和MDOT標(biāo)準(zhǔn)，將橋梁承受的實(shí)際載荷與設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行關(guān)聯(lián)和對(duì)比。


上圖顯示了通過橋梁的所有卡車的最大應(yīng)變，表明橋梁在安全水平內(nèi)運(yùn)行良好（紅線顯示）。

利用來自橋梁的應(yīng)變信息確定卡車引起的真實(shí)載荷應(yīng)變，與橋梁可以承受的最大應(yīng)變進(jìn)行比較，以確定橋梁構(gòu)件是否負(fù)荷過度。

Cut River大橋試點(diǎn)項(xiàng)目作為示范工程，將為密歇根州其他橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)所參考和運(yùn)用，其監(jiān)測(cè)技術(shù)、實(shí)施方法和成功經(jīng)驗(yàn)將有助于MDOT將SHM順利應(yīng)用于更多橋梁。