应用光纤光栅传感技术监测铁路钢桥螺栓断裂脱落的模型试验研究李俊鑫1，2 赖志华3 强小俊1，2 李道震1，2 （1.铁科院（深圳）研究设计院有限公司，广东深圳 518000；2.深圳地质灾害监控工程实验室，广东深圳 518000；3.中国铁路广州局集团有限公司深圳工程建设指挥部，广东深圳 518000） 摘 要 为控制铁路钢桥高强度螺栓断裂脱落造成的铁路运营安全隐患，提出了一种基于光纤光栅传感技术的螺栓断裂脱落监测方法。从螺栓断裂脱落监测和防护2方面入手，设计了针对联结节点螺栓群的防护装置，避免断裂螺栓脱落侵入线路。以断裂螺栓部件冲击防护装置产生的应变作为脱落损伤标识量，利用布置于钢桁梁上的光纤光栅传感器测量应变，根据应变的变化确定螺栓断裂脱落情况。通过制作钢桥横联联结节点模型开展了螺栓断裂脱落监测试验，试验结果表明，该方法能够有效监测螺栓断裂脱落的时间、数量及位置信息，初步验证了应用于螺栓断裂脱落监测的可行性，为工程应用奠定了基础。 关键词 铁路桥梁；监测系统；模型试验；高强度螺栓；螺栓断裂；光纤光栅；防护装置 高强度螺栓是钢结构桥梁安装的主要连接方式之一。其空间受力状态复杂，长期处于高频、高幅值的动力循环荷载作用下，易在螺纹牙边界产生微裂纹，在雨水侵入的情况下与周围空气介质发生化学反应从而逐渐锈蚀甚至断裂脱落。钢结构桥梁的高强度螺栓断裂脱落，既会造成极大的行车安全隐患，又可能导致钢桥节点联结性能退化，结构整体承载能力降低，横向刚度减小［1-2］，严重时甚至发生坍塌。对铁路桥梁高强度螺栓脱落损伤的调研表明，11座存在螺栓断裂脱落问题的桥梁中，累计断裂脱落数量大于50副的有3座，且完全依靠铁路工务部门定期巡查、采用望远镜目视发现病害［3-4］。因此，研发一种可靠的螺栓断裂脱落自动化实时监测方法，对于保证铁路运营安全是十分必要的。 特早熟大豆育种研究进展……………………………………………………………… 张 琪，孙宾成，郭荣起，孙如建，柴 燊（41） 对于工程结构中螺栓断裂脱落监测、识别的研究很少。赵而年等［5］通过在塔架结构塔身主杆法兰拼装节点法兰盘外侧布置应变传感器，根据结构在完好状态和发生螺栓脱落损伤2种情况对冲击激励下自由振动竖向应变响应的差异来判断螺栓脱落情况。赵欣欣等［6］利用相机、手机等设备拍摄某座铁路桥梁螺栓缺失图像并构建基于机器视觉的专业数据集，提出基于附加混合注意力子网络卷积神经网络的铁路桥梁高强度螺栓缺失图像识别方法。唐超［7］提出运用压电陶瓷传感器采集钢结构在不同损伤程度下的机电耦合导纳，通过分析健康状态和损伤状态下导纳曲线的变化情况进行结构螺栓松动及腐蚀损伤识别。 上述研究中的螺栓损伤识别方法均能有效识别螺栓脱落，然而难以满足铁路运营线复杂环境对于监测自动化、实时性的要求。此外，传统电阻及振弦式传感器易受铁路线路电路的影响，限制了其在铁路监测中的应用。因此，本文提出一种基于光纤光栅传感技术的铁路钢桁梁桥高强度螺栓断裂脱落在线实时监测方法，并通过搭建钢桁梁桥横联联结节点模型验证该方法的可行性。 为什么中国和东亚学生在国际学生评估中能够拿高分，在国际奥林匹克数学竞赛中名列前茅？因为他们从孩提时代起在逻辑推理和分析思维方面就受到了训练.小学数学里，四则运算的综合运用占了相当比重，各式各样的应用题很多，有些具有相当难度.因此，学生不仅掌握了运算技能，而且对问题获得了切实的理解.他们了解什么情况下应用、怎么应用每一种运算. 1 光纤光栅传感技术原理光纤光栅具有抗电磁干扰、灵敏度高、体积小、复用能力强、耐腐蚀、便于实现分布式传感等优点，为铁路基础设施监测提供了新的技术手段［8］。光纤光栅是利用光纤纤芯与包层光敏性的不同，通过相位掩膜、全息干涉法等在纤芯内产生折射率周期性永久变化的相位光栅。当一束宽带光在光纤中传输经过光纤光栅时会产生模式耦合，满足布拉格相位匹配条件的光发生反射，其余的光则透过光纤光栅继续传播［9］，工作原理如图1所示。  图1 光纤光栅工作原理 根据光纤的耦合模式理论，满足相位匹配条件时，中心波长为  式中：neff为光纤有效折射率；Λ为光纤光栅周期。 对式（1）进行微分，得到  由式（2）可以看出，光纤光栅的中心波长偏移量与光纤的有效折射率和光栅周期成线性关系。光纤有效折射率和光栅周期在外部因素（温度和应变）的影响下会发生变化［10］。光纤光栅中心波长偏移量与温度和应变的关系式为  式中：ke、kT 分别为光纤光栅的应变灵敏度系数和温度灵敏度系数。 光纤光栅中心波长偏移量与应变和温度均线性相关，利用光纤光栅解调仪测试得到光纤光栅的中心波长偏移量，通过温度补偿可实现对结构物的应变监测。 2 高强度螺栓断裂脱落监测方法针对铁路钢桥高强度螺栓脱落损伤监测问题，提出一种基于光纤光栅传感技术的螺栓断裂脱落监测及防护方法，并开展了螺栓断裂脱落监测模型试验。试验结果表明，该方法可以有效识别螺栓断裂脱落的时间、数量及节点位置信息，从而实现对螺栓断裂脱落的实时监测。 “紫渊径其北”是说上林苑的北界是紫渊，文颖注以为西河谷罗县有紫泽，在长安之北，即是紫渊其地。但《汉志》“谷罗”下有“武泽”而无“紫泽”，颇让人生疑。《正义》引《山海经》云：紫渊水出根耆之山。今《北山经》曰“石者之水，泚水出焉。”毕沅疑“耆”为“者”之误，紫渊即是泚水。则司马相如对上林苑北界之限定亦有疑义。 针对铁路钢桁梁桥上弦平联、横联联结节点的高强度螺栓断裂脱落后存在侵入线路影响行车安全的问题，高强度螺栓脱落监测防护系统的设计从螺栓脱落监测和防护2 方面入手，包括螺栓防护装置设计和光纤光栅传感器设计。螺栓防护装置尺寸以高强度螺栓恰能嵌入其中为宜，内表面喷涂环氧树脂胶后安装于螺栓上，联结节点螺栓群防护装置通过超高分子聚乙烯纤维连接形成放射网状结构，中心结点与固定于钢桁梁上的对应光纤光栅应变传感器相连。其中钢桁梁桥横联联结节点监控防护装置布置如图2所示。  图2 钢桁梁桥横联联结节点监控防护布置示意 超高分子聚乙烯纤维作为高强度螺栓脱落的暂时性防护结构，既能承受单个或多个断裂螺栓的冲击作用，又具有很好的耐久性，安装完成后处于松弛状态。当高强度螺栓发生断裂脱落时，重力和惯性力通过放射网状防护结构中心结点作用于光纤光栅应变传感器，使其中心波长在冲击作用下产生一个峰值变化。当断裂螺栓脱落后逐渐稳定下来时，光纤光栅应变传感器仅受螺栓的重力作用。与初始状态相比，此时光纤光栅应变传感器中心波长出现一定的偏移量，即  式中：Δλi为i 联结节点光纤光栅应变传感器的中心波长偏移量；Δλij为i 联结节点j 断裂螺栓脱落引起的中心波长偏移量；mij为i 联结节点j 断裂螺栓部件的质量；A，E分别为超高分子聚乙烯纤维的横截面积、弹性模量。 极少数高强度螺栓断裂对钢桥的整体影响较小，因此选取结构局部损伤特征作为脱落监测的标识量。通过捕捉损伤特征的突变信息进行钢桁梁桥联结节点螺栓脱落情况的判定。  某铁路钢桥断裂螺栓部件统计结果显示：高强度螺栓（M24×100）断裂部件的质量介于311～330 g，每个断裂螺栓部件的质量近似相等。因此，高强度螺栓断裂脱落产生的应变与其数量之间为线性关系，通过捕捉分析相应的光纤光栅应变传感器监测数据即可确定高强度螺栓发生断裂脱落的时间、联结节点位置及数量信息。 3 钢桁桥螺栓脱落监测的模型试验为验证上述方法对断裂螺栓脱落监测的可行性，根据某铁路钢桁梁桥的高强度螺栓安装情况制作横联联结节点试验模型（图3）。该节点包含40个规格为M24 的10.9S 级大六角头高强度螺栓，长度100 mm，光纤光栅传感器固定于模型钢桁梁上。试验中利用现场收集的断裂螺栓部件模拟高强度螺栓发生断裂脱落的状况，即通过人为扰动的方法使安装于试验模型的断裂螺栓部件掉落。断裂螺栓部件如图4所示。  图3 横联联结节点试验模型  图4 大六角头高强度螺栓 本次试验模拟2种典型工况下的高强度螺栓断裂脱落状态，如表1所示。 课程实施时，学校会根据不同的人才培养目标，从4大课程领域的各个模块中精选相关课程专题进行搭配组合，构成面向不同培养目标的“课程套餐”，每类发展方向的“课程套餐”均由国家课程+博雅课程组成。以培养目标为“品学基础、人生奠基”的课程为例，其“课程套餐”如下（见图1）。 表1 高强度螺栓断裂脱落试验工况  试验工况螺栓脱落数量1 2螺栓断裂脱落形式单个或多个高强度螺栓先后发生断裂脱落多个高强度螺栓同时发生断裂脱落3 2 试验数据采集装置选用MOI 公司研制的光纤光栅解调仪SM130，扫描频率设置为100 Hz。持续采集试验模型在初始状态、工况1、工况2 下的光纤光栅中心波长。测试得到该联结节点光纤光栅应变传感器的波长响应曲线，如图5所示。  图5 光纤光栅波长响应曲线 由图5（a）可知，光纤光栅波长响应曲线在约1，5，8 s时均出现了突变，且在突变点处经历短暂的波动后逐渐趋于平稳，准确反映了试验工况1 中3 个螺栓依次脱落的情况。由图5（b）可知，光纤光栅波长响应曲线在约2 s 时出现突变，稳定后中心波长的增量较大，与螺栓脱落的实际情况一致。 由稳定状态下光纤光栅的中心波长计算得到各试验工况下的应变，结果见表2。 由表2可知，工况1中3个螺栓断裂脱落产生的应变依次为86×10-6，61×10-6，59×10-6，工况2 中 2 个螺栓同时脱落的近似应变为128×10-6。在不同工况下应变均随断裂螺栓脱落数量的增加近似成倍增加，因此根据突变点应变可以确定发生断裂脱落螺栓的数量。 屈服极限与贮藏时间的关系，如图5所示。屈服极限随贮藏时间的延长，呈逐渐下降的趋势，下降幅度相对平缓，表明圣女果发生永久变形所需的力在逐渐减小。 表2 螺栓断裂脱落监测应变计算结果 试验工况 螺栓脱落数量1 2 0 1 2 3 0 2光纤光栅中心波长/nm 1 555.132 1 555.236 1 555.309 1 555.379 1 555.161 1 555.315应变/10-6 0 86 147 206 0 128 4 结语由式（3）—式（5）可得i 联结节点光纤光栅应变传感器的应变为 由图 3（c）可知，当 KOH 甲醇溶液用量为 5～10mL时，叶黄素的提取量逐渐升高，高于10mL后，开始有较大幅度的下降。主要原因是随着溶液用量的增加，溶液中过强的碱性影响叶黄素的稳定性，造成提取过程中的损失，最终选定KOH甲醇溶液用量为10mL。 参考文献 ［1］李运生，王慧佳，张彦玲.钢桁梁桥高强螺栓连接的节点板局部受力性能分析［J］.石家庄铁道大学学报（自然科学版），2013，26（3）：1-7. ［2］李运生，王慧佳，张彦玲.螺栓缺失对摩擦型高强螺栓传力性能的影响［J］.广西大学学报（自然科学版），2013，38（4）：823-831. ［3］朱素华.高速铁路特大桥钢桁梁高强度螺栓断裂分析及养修建议［J］.上海铁道科技，2016（4）：79-81. ［4］中华人民共和国铁道部.高速铁路桥隧建筑物修理规则（试行）：TG/GW 114—2011［S］.北京：中国铁道出版社，2018. ［5］赵而年，瞿伟廉.塔架结构塔身主杆法兰拼装节点螺栓脱落位置损伤识别的模型试验［J］.地震工程与工程振动，2013，33（5）：212-217. ［6］赵欣欣，钱胜胜，刘晓光.基于卷积神经网络的铁路桥梁高强螺栓缺失图像识别方法［J］.中国铁道科学，2018，39（4）：56-62. ［7］唐超.基于PZT 阻抗法的钢结构桥梁高强度螺栓损伤监测试验研究［D］.长沙：长沙理工大学，2017. ［8］徐玉胜.光纤传感技术在高铁基础设施安全监测中的应用［J］.铁道建筑，2016，56（9）：143-147. ［9］李俊鑫，强小俊，郎向伟.基于FBG的测斜传感器设计与实现［J］.压电与声光，2019，41（1）：53-56. ［10］李宏南，任亮.结构健康监测光纤光栅传感技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008. Model Test on Monitoring for Bolts Fracture and Dropping in Railway Steel Bridge Based on Fiber Bragg Grating Sensor Technology LI Junxin1，2，LAI Zhihua3，QIANG Xiaojun1，2，LI Daozhen1，2 （1.China Academy of Railway Sciences（Shenzhen）Research and Design Institute Co.，Ltd.，Shenzhen Guangdong 518000，China；2.Shenzhen Engineering Laboratory for Geological Hazard Monitoring，Shenzhen Guangdong 518000，China；3.Shenzhen Engineering Construction Headquarters，China Railway Guangzhou Group Co.，Ltd.，Shenzhen Guangdong 518000，China） Abstract In order to control the hidden danger of railway operation caused by high strength bolts fracture and dropping in railway steel bridge，a monitoring method of bolt fracture and dropping based on fiber Bragg grating was proposed.Starting from the monitoring and protection of bolt fracture and dropping，the protection device for bolt group of connection node was designed to avoid bolt fracture and invading the railway.The strain produced by the impact of the fracture bolt on the protective device was taken as the signature for damage detection.The strain was measured by the fiber Bragg grating sensor arranged on the steel truss girder，and the condition of bolt fracture and dropping was determined according to the change of the strain.Through making the model of transverse joint of steel bridge，the monitoring test of bolt fracture and dropping was carried out.The test results show that the method can effectively monitor the time，quantity and position information of bolt fracture and dropping，preliminarily verify the feasibility of applying it to bolt fracture and dropping monitoring，and lay a foundation for engineering application. Key words railway bridge；monitoring system；model test；high strength bolt；bolt fracture；fiber Bragg grating；protective device 中图分类号 U216.3 文献标识码 A DOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2020.01.10 文章编号：1003-1995（2020）01-0040-04 收稿日期：2019-03-28； 修回日期：2019-10-03 基金项目：中国铁道科学研究院基金（2017YJ153） 第一作者：李俊鑫(1991—)，男，助理研究员，硕士。E-mail：ljxcars@163.com （责任审编 郑 冰） |
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