LUNA助力密歇根州Cut River大桥结构健康监测

12/30/2020，光纤在线讯，Cut River大桥是一座位于美国密歇根州密歇根上半岛2号公路沿线的跨河桥梁，被列入美国国家历史名胜名录，是密歇根州最著名的历史性桥梁之一。Cut River大桥作为试点项目也将被应用于密歇根州其他桥梁的结构健康监测，从项目中汲取的成功经验将助力密歇根州交通部（MDOT）将结构健康监测系统（SHMS）更好的应用于其它桥梁。

桥梁采用LUNA的技术研究结构健康监测系统（SHMS），使用传感器监测结构性能、评估安全性和动力性能，助力桥梁规划应用和资产管理。利用SHMS可以监测桥梁结构的应力情况，并通过监测数据对比结构构件的临界承载力。监测可作为桥梁结构构件潜在临界应力的预警系统，在事故发生前防患于未然。系统可通过设置安全的临界应变值并触发预警，提醒MDOT对桥梁的潜在风险作出快速响应。SHMS能够确定结构构件之间的荷载分布，并监控构件损伤和结构刚度变化等情况。通过精确测量结构构件中的应力，可以更好地评估桥梁结构的安全承载能力，帮助MDOT准确评估桥梁风险并规划维修方案，通过比较改造前后的应变值，监测维修的有效性，这也有助于评估桥梁的剩余使用寿命。同时，Cut River大桥作为试点项目面临着诸多挑战，包括独立偏远的位置、不易通电、桥址处的极端天气条件以及桥梁与监控位置之间的远距离通信。

为了进行结构健康监测（SHM），在桥梁结构的几个主要抗拉构件上安装了16个光纤应变计（下图），在四个光纤应变计附近安装了四个温度传感器。温度传感器有助于校正温度效应所引起的应变计“偏移”。为了了解由于横穿桥梁的卡车荷载所造成的应变情况，在桥梁以东大约两英里处的道路下方设置了动态称重（WIM）站，为在桥梁路面上行驶的卡车提供轴重和轴距。

通过点焊安装将光纤传感器安装在钢材料表面，覆盖并保护免受外部因素影响，应变计用胶带覆盖，并涂上有机富锌底漆。

LUNA的光纤应变计具有诸多优势，支持更大的应变范围、更长的疲劳寿命、不受周围电磁波的影响以及更快的采样率；应变计结果通过温度传感器进行补偿；应变计和温度传感器能够协同工作，以提供桥梁应变的精确测量。

应变计安装在桥梁南北结构的内外表面，共16个位置。温度传感器安装在一个对角线和一个顶部水平桁架构件处靠近应变计的位置。

当光通过光纤和传感器时，波长会随着光纤布拉格光栅传感器中应变的变化而变化，从而监测桥梁构件的变化。LUNA的光纤光栅传感解调仪与传感器结合使用能够连续测量波长，由于条件因素影响，设备将由来自混凝土拱顶的12V直流太阳能发电系统供电，解调仪的数据将通过一组天线进行传输并从联网电脑获取。


上图显示了卡车穿过桥梁并经过每个应变计时的数据，5轴卡车总重52.1 kips，总长64.3英尺。

Cut River大桥项目的数据是从位于桥梁办公室的电脑上采集到的，也可以从任何一台联网电脑采集。数据收集过程的另一个目标是获得过桥卡车的重量和车轴配置及其在桥梁构件中造成的应变影响。对采集到的数据进行分析，将卡车信息与应变信息关联起来，有助于根据现行AASHTO和MDOT标准，将桥梁承受的实际载荷与设计载荷进行关联和对比。


上图显示了通过桥梁的所有卡车的最大应变，表明桥梁在安全水平内运行良好（红线显示）。

利用来自桥梁的应变信息确定卡车引起的真实载荷应变，与桥梁可以承受的最大应变进行比较，以确定桥梁构件是否负荷过度。

Cut River大桥试点项目作为示范工程，将为密歇根州其他桥梁的结构健康监测所参考和运用，其监测技术、实施方法和成功经验将有助于MDOT将SHM顺利应用于更多桥梁。