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大橋作為試點項目也將被應(yīng)用于密歇根州其他橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，從項目中汲取的成功經(jīng)驗將助力密歇根州交通部（MDOT）將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)（SHMS），使用傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)性能、評估安全性和動力性能，助力橋梁規(guī)劃應(yīng)用和資產(chǎn)管理。利用SHMS可以監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況，并通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對比結(jié)構(gòu)構(gòu)件的臨界承載力。監(jiān)測可作為橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件潛在臨界應(yīng)力的預警系統(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)預警，提醒MDOT對橋梁的潛在風險作出快速響應(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。通過精確測量結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的應(yīng)力，可以更好地評估橋梁結(jié)構(gòu)的安全承載能力，幫助MDOT準確評估橋梁風險并規(guī)劃維修方案，通過比較改造前后的應(yīng)變值，監(jiān)測維修的有效性，這也有助于評估橋梁的剩余使用壽命。同時，Cut River大橋作為試點項目面臨著諸多挑戰(zhàn)，包括獨立偏遠的位置、不易通電、橋址處的極端天氣條件以及橋梁與監(jiān)控位置之間的遠距離通信。

為了進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM），在橋梁結(jié)構(gòu)的幾個主要抗拉構(gòu)件上安裝了16個光纖應(yīng)變計（下圖），在四個光纖應(yīng)變計附近安裝了四個溫度傳感器。溫度傳感器有助于校正溫度效應(yīng)所引起的應(yīng)變計“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。

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

LUNA的光纖應(yīng)變計具有諸多優(yōu)勢，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)變計結(jié)果通過溫度傳感器進行補償；應(yīng)變計和溫度傳感器能夠協(xié)同工作，以提供橋梁應(yīng)變的精確測量。

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

當光通過光纖和傳感器時，波長會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)過每個應(yīng)變計時的數(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，也可以從任何一臺聯(lián)網(wǎng)電腦采集。數(shù)據(jù)收集過程的另一個目標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。對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，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標準，將橋梁承受的實際載荷與設(shè)計載荷進行關(guān)聯(lián)和對比。


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載荷應(yīng)變，與橋梁可以承受的最大應(yīng)變進行比較，以確定橋梁構(gòu)件是否負荷過度。

Cut River大橋試點項目作為示范工程，將為密歇根州其他橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測所參考和運用，其監(jiān)測技術(shù)、實施方法和成功經(jīng)驗將有助于MDOT將SHM順利應(yīng)用于更多橋梁。