在过去的几十年里，基于振动的结构健康监测（VBSHM），以其良好的应用前景，特别是对大跨度桥梁，已成为目前结构工程界研究的热点。

但目前损伤诊断技术在工程实践中的广泛应用，仍然存在一些问题亟待解决。例如，许多现有的损伤评估理论方法已被证明适用于考虑噪声的数值模拟案例，以及简单的实验室试验，但从未应用于实际结构中。此外，在观察期内发生的损伤也很不明显。其次，由于温度等环境因素的影响，模态特性对损伤的敏感性也很难处理。而且测量到的噪声和荷载，可能会破坏观测到的模态特性与损伤之间的变化关系。这也使得我们需要在一段时期内对整个环境影响范围进行监测，然后通过统计法过滤掉大部分的影响因素。第三，虽然我们主要研究的是早期发现的轻微损伤，但是这类损伤对局部缺陷的敏感性较小。最后，为了开发连续监测数据，对于数据的处理和条件解释应该以(半)自主的方式进行。笔者认为，不需要复杂的双数值模型，而是基于处理后的振动数据的损伤检测方法具有明显的优势。

光纤传感器的引入，可以准确地测量动态应变，且安装方便，在恶劣环境下可以保持稳定，易于在结构健康监测中使用。

光纤布拉格光栅(FBGs)可以直接、准确地测量微小的动力应变，且易于复用，成本相对较低。它也被用于桥梁等各类结构的实时静态应变监测中。在环境激励下，光纤布拉格光栅可以高精度地测量非常微小的动态应变，从而推导出精确的固有频率和模态应变。由于多路复用，模态应变可以在一个非常密集的栅格中得到。

本文针对光纤光栅的实际应用，设计了一种带有可调谐激光器的光纤光栅询问器，利用波长扫描技术对每个光纤光栅传感器进行单独扫描，以获得较高的波长分辨率，从而得到较高的应变测量精度。然而，扫描也使光纤光栅传感器之间产生延迟，离线同步技术可在此方面进行弥补。下面介绍直接模态应变在预应力混凝土梁和铁路桥梁损伤识别、状态监测中的应用。

根据预应力混凝土梁的试验结构进行渐进损伤试验(PDT)和动力试验，并研究温度作用下对梁动力特性的影响。试验结构为预应力混凝土梁，梁长5m，矩形截面24x20cm，边缘有倒角，采用C70和C85高强混凝土(HSC)。在梁的内部，纵向布置5根直径12.5mm、抗拉强度为1860MPa的低松弛钢铰线，其中3根位于梁的底部，两根位于梁的顶部。钢铰线的初始应力为744MPa。并采用直径6mm、间距为150mm的闭环箍筋。预应力混凝土梁的重量约为580kg,密度是2435kg/m3。

图1 预应力混凝土试验梁

渐进损伤测试

对该梁进行了四点渐进损伤试验(PDT)。约束支承距梁端50cm，两个液压千斤顶之间相距2m，并用5个线性差分传感器（LVDT）测量梁的垂直位移。

共进行了9次渐进损伤载荷循环，其中前2次载荷步骤为30kN，第4次载荷步骤为10kN。在第9次循环中，位于梁跨中处的混凝土破碎，荷载值为2P～160kN。所有线性差分传感器和每个载荷周期的最大挠度如图2所示，梁跨中位置处的最大挠度（包括最后一个载荷周期）如图3所示。当梁超过开裂荷载2P～55kN时，荷载-挠度曲线斜率在第二周期(幅值为60kN)后发生了变化。

图2 随荷载值增加时的挠度曲线

图3 梁跨中位置处的挠度曲线

动态测试的建立

对试验梁进行动态测试以确定其动态特性，即固有频率和应变模态形状。在渐进损伤试验中，各载荷/卸荷周期结束后，对未损伤的梁和被损伤的梁进行动力试验，其动态特性的变化可用于识别渐进损伤。

通过充气轮胎的试验表明，动态边界的条件近似于水平向和纵向自由振动的梁的边界条件。轮胎放置在梁的下方，当轮胎膨胀时，梁端约束不再起作用，而仅靠弹性轮胎的支承约束，这也同时消除了实验室内的支撑底板，因灵活性问题影响测试结果。

图4 充气轮胎模拟双向自由边界条件

梁在垂直方向上由电动的模态振动筛进行激励，该振动筛从距梁的左端起3.5m与梁进行连接，采用高斯白噪声(WN)信号，频率范围(0-400)赫兹，每次动态试验持续时间为70秒。

试验还研究了温度变化对梁动力特性的影响。因此，试验在渐进损伤试验过程中对梁进行了长期监测，并进行了长时间的动力试验，以研究载荷周期内梁受不同温度条件的影响。

在以往类似的大型预应力混凝土梁研究项目中，采用光学摄像系统从离散点的位移中分离出动应变。本文将4根多路复用光纤光栅应变传感器安装在梁的四周，每根包含20个光纤布拉格光栅传感器，以测量梁的动态应变。4根多路复用光纤光栅应变传感器连接到梁顶部和底部的边缘一侧，沿纵向通过定制夹紧装置。两个夹紧块之间的距离是25cm, 光纤光栅应变传感器放置在两个夹紧块之间，以此测量平均应变。

阿布尔铁路桥（The Arbre Viaduct）是比利时瓦隆地区一座跨径2002m的高架铁路桥，它也是布鲁塞尔至法国边境长达88km的高铁1号线(HSL1)的一部分。HSL1又与法国铁路Ligne a Grande Vitesse Nord (LGV Nord)相连，后者是一条长333km的高速铁路，连接巴黎和比利时边境，并通过里尔穿越英吉利海峡隧道。以上两条线路供欧洲之星、TGV、泰利斯PBA和泰利斯PBKA列车运行使用。

阿布尔铁路桥由36跨预应力混凝土桥组成，跨度从51.6m到63.2m不等，每跨由4座氯丁橡胶支撑，并建在混凝土桥墩之上。图5中还显示了高架桥几乎未受干扰的定位：这正是低环境激励的结果。

图5 阿布尔铁路桥

该桥横截面呈U形，如图6(a)和(b)。出于养护原因和设立紧急出口的需要，箱式腹板上设有开口，如图6(c)。

图6 阿布尔铁路桥主梁横截面

对该桥第30跨采用双链光纤光栅应变传感器进行监测，为期3.5个月。其中一根纤维连接侧壁底部，另一根则连接通道的顶板，采用的是前文介绍的夹紧装置。两个相邻夹紧块间距2.5m,中间放置光纤光栅传感器。其目的是测量两个夹紧块之间的平均应变值。每根链条中包含20个光纤布拉格光栅传感器，每根链条的第一个传感器，即波长最低的传感器，可以自由测量温度，其余19个传感器测量桥跨的应变。光纤上的保温罩尽可能地减少了温度波动对光纤光栅测量的影响。

箱体顶部的热传感器还测量了该桥跨的温度变化。这些额外的温度传感器并非固定在桥上，而是记录传感器附近的温度。所有20个传感器的平均温度均为实时记录。

研究采用基于应变的工作模态分析方法(OMA)，利用基于Matlab工具箱的MACEC软件，从环境测量数据中提取桥跨的模态特征，即固有频率和应变模态形状。然而，由于结构刚度较高，环境激励下的动态应变值非常低。如果在环境中受到风的激励，或者桥梁附近受到人为因素的激励，这种极低的环境动态应变一般不会发生。

因此，最终采用列车通过后收集到的自由响应应变数据。该应变远远高于环境应变，大约为环境应变的100倍。然而，列车在相邻桥跨上运行产生的强迫振动，对自由响应有一定的干扰。

研究各列车通过时，以及在不同温度下的自由响应数据，确定了桥跨的第一弯曲模态，并根据监测期间的温度范围，建立了34个温度组。而且，还对模态应变进行了与预应力混凝土梁相似的标准化处理。不同温度组的置信区间完全重叠，且其起伏幅度几乎相同。由此可见，对于当前桥跨，温度对应变模态没有明显影响。

光纤布拉格光栅传感器可以非常精确地记录静态和动态应变，其精度高于传统应变仪。在几乎所有情况下，在操作或环境条件下，可以准确地从光纤布拉格光栅应变中识别出固有频率和应变。多路复用可在各种位置测量得到应变值，这也是定位损伤、量化损伤最需要的功能。

预应力混凝土梁的渐进损伤试验表明，固有频率取决于损伤程度和温度。因此，固有频率只能作为排除温度影响后的损伤指标。相反，试验结果表明，振动模态在很大程度上依赖于温度，这使得模态特性在损伤评估中具有说服力。随着损伤程度的增加，模态特性变化愈加明显，且这些变化的位置与损伤的位置直接相关。当光纤布拉格光栅链连接在梁体结构的顶部和底部时，假设位置高度产生的变化使应变按照线性进行变化，梁中性轴的位移与所产生的损伤直接相关，不需要额外建立数值模型进行分析。

通过光纤布拉格光栅传感器在阿布尔铁路桥第30跨上的长期监测发现，在列车通过过程中准确记录了主梁的动态应变。然而，由于该桥跨的位置受干扰的几率非常小，所以在环境条件下的应变值极低。此外，列车通过后的自由响应，可以确定第一弯曲模式的固有频率和应变。在3.5个月的监测期间内，记录得到的温差为33℃。温度对预应力混凝土梁的应变模态没有明显的影响，佐证了预应力混凝土梁的试验结论。

由于固有频率和模态特性可以从较小的振动中分离出来，光应变传感器阵列对于状态监测具有很大潜力。此外，光应变传感器阵列不受温度影响，对局部小范围损伤非常敏感，可直接用来描述损伤。

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