国际著名学术期刊《Construction and Building Materials》2024年11月刊发了我院学者的论文《基于分布式光纤传感数据的沥青铺面应变模态测量方法》(Strain mode measurement of asphalt pavements using distributed fibre optic sensor data)。我院教师曾孟源助理教授、赵鸿铎教授为第一、第四作者,论文的合作作者包括苏黎世联邦理工学院教授Alexander Puzrin、研究员Dominik Hauswirth、博士生Urias Morf。
Zeng, M., Hauswirth, D., Morf, U., Zhao, H., & Puzrin, A. (2024). Strain mode measurement of asphalt pavements using distributed fibre optic sensor data. Construction and Building Materials, 450, 138730.
摘要:
本文采用分布式光纤应变传感技术,研发了沥青铺面结构应变模态测量方法,包括:依托分布式光纤传感技术,获得沥青铺面不同位置的高密度动应变数据;针对应变数据开展互功率谱(CPSD)分析,提取CPSD频谱峰值及该频率处的振幅向量作为应变模态特征。此外,本文开展室内试验与现场试验,对比上述方法结果与理论计算、加速度计测量结果,检验该方法的准确性;同时,对比沥青结构局部加热后的应变模态测量结果,检验该方法对材料特性变化的敏感性。试验结果发现上述方法测得的CPSD峰值频率与加速度计结果基本吻合(±0.6 Hz),且该方法可提供厘米级的CPSD振幅向量。振幅向量与理论振型的模态置信度超过0.95,并能灵敏反映沥青结构中不同位置的材料特性变化。表明该方法可有效测量沥青结构中的应变模态,相比传统点式测量法能更详细地掌握结构特性的分布情况。
关键词:铺面、应变、模态、沥青、分布式光纤传感器
研究贡献:
研发了基于分布式光纤的沥青铺面结构应变模态测量方法,充分利用高空间分辨率、高密度的应变数据提升沥青铺面结构应变模态频率与振型的测量效果,并能灵敏反映沥青结构局部结构特性变化。
研究背景:
模态分析作为揭示结构固有属性的手段,广泛用于桥梁、隧道等结构健康监测。传统应变模态测量主要依靠单点传感器,但受限于传感器的空间分辨率和布设形式,应变模态测量的完整性和精度不足。近年研究表明,分布式光纤传感器具有高密度、连续测量等优势,为沥青铺面结构的应变模态测量提供了新路径。
然而,沥青铺面施工存在高温热拌和振动压实,对光纤传感器的受力性能与应变传递带来挑战,尤其在动态荷载下的应变模态捕捉能力尚待验证。此外,如何利用分布式光纤高密度数据来提高应变模态测量的精度与分辨率,仍需深入研究。为此,本文旨在研发基于分布式光纤的沥青铺面结构应变模态测量方法,并通过室内与现场实测验证其用于结构特性识别的有效性。
研究方法:
(1)分布式应变感知技术
本文采用基于瑞利散射的扫频干涉技术,利用商用解调仪开展测量。实验中传感器的量测点间距设置不超过1厘米,动态测量时采样频率为100 Hz。本文选择了三种商用光纤光缆,分别具有不同的机械性能和耐热性。光缆A采用金属管封装,具有较高轴向刚度,能够承受施工过程中的外界冲击,但可能影响应变传递;光缆B具有PEEK外护套,专为高温环境设计;光缆C则采用EPR外护套,具有中等刚度和灵活性。开展实验分别分析三种光缆在高温施工环境和动态荷载下的表现。
图1 选用光纤断面图
(2)光纤数据处理方法
为了从分布式光纤数据中提取应变模式,本文开发了一种基于互功率谱密度(CPSD)的数据处理方法,包括以下步骤:
1) 频谱转换:将光纤的频谱变化转换为轴向应变变化,同时忽略温度变化对应变的影响。
2) 计算互功率谱密度:选定参考测量点,与其他测量点计算互功率谱密度,提取局部峰值频率。
3) 归一化处理:对互功率谱密度数据进行归一化处理,得到相对幅值信息。
4) 提取应变模态:结合高密度数据提取局部应变模式,分析峰值频率对应的相对振幅,得到应变模态振型。
图2 处理算法流程
(3)实验设计
为了验证该方法的有效性,本文设计了以下实验:
1) 高温暴露试验:评估光纤在高温环境下的应变传递性能,通过温度循环实验观察不同光缆在极端温度下的应变响应变化。
图3 高温暴露试验设置
2) 室内弯曲试验:在实验室中制作沥青梁并埋入光纤传感器,施加静态荷载获得沥青结构应变分布,并将实验结果与有限元仿真、传统传感器测量结果进行对比。
图4 室内弯曲试验设置
3) 冲击荷载试验:锤击沥青梁,通过测得的动态应变开展CPSD分析,将分析得到的应变模态结果与传统加速度计、理论振型对比,验证基于CPSD方法的应变模态测量能力。
图5 冲击荷载试验设置
4) 交通荷载试验:在实际城市道路中埋入光纤传感器,记录移动载荷引起的动态应变,比较光纤与传统加速度计的测量结果。
图6 交通荷载试验
主要结论:
(1)高温暴露试验
本试验模拟了光纤传感器在热拌沥青铺设中的高温暴露环境,分别测试了A型和B型传感器的应变传递性能。A型传感器因涂层材料与光纤间结合力不足,在高温(约230℃)暴露后其应变测量性能明显下降。相比之下,B型传感器采用了热稳定性更高的涂层材料,在同等条件下应变测量性能保持稳定,误差控制在1.7%以内。结果表明,B型传感器在沥青路面施工中的适用性更强。
图7 高温暴露试验结果
(2)室内弯曲试验
为验证光纤传感器对静态应变模态的捕捉能力,制备了埋入不同类型光纤传感器的沥青梁样本,并通过四点弯曲试验施加静载荷。A型传感器由于施工过程中的高温影响,在捕捉局部应变方面与理论解之间存在显著偏差。而B型传感器在相同条件下表现出较高的应变捕捉精度。但即使在埋入过程中经历了高温,两类传感器的归一化应变在总体分布上与理论结果一致。
图8 室内弯曲试验结果
(3)冲击加载试验
本试验采用手持锤开展冲击测试,通过分布式光纤传感器采集沥青梁的动态应变数据。利用CPSD方法提取应变模态频率和振型。结果显示,传感器测得的一阶模态频率与加速度计测量结果一致,偏差小于0.3Hz;振型与理论解的模态置信度超0.95,且能灵敏反映局部加热产生的结构特性变化。表明光纤传感器因其高空间分辨率特点,能够更细致地反映模态振型的局部特征,相较传统加速度计的模态识别能力有显著提升。
图9 室内冲击试验结果
图10 沥青梁局部加热后的各层应变振型
(4)交通荷载试验
为验证提出方法在实际工程中的应用潜力,在真实道路试验中埋入C型光纤传感器,采集动态车载荷下的应变数据。试验表明,传感器在车轮作用区域能成功捕捉显著的频率相关应变信号,其模态频率测量结果与传统加速度计基本一致。此外,光纤传感器的高空间分辨率数据揭示了沥青路面在车轮动态载荷下的振幅分布规律,为应变模态测量在复杂交通条件下的应用提供了基础。
(a) 不同车轴加载下CPSD的峰值频率
(b) 不同车轴加载下CPSD的振幅向量
图11 交通荷载试验结果图
后续研究:
作者团队将相关成果应用于华北某枢纽机场跑道、上海某高速路段,建立了铺面结构健康监测系统,为铺面结构性状解析、预测及运维决策提供技术基础与信息支撑。
上海某高速路段应用实例:铺面性能原始数据不间断监测
华北某枢纽机场跑道应用实例:可视化管理系统