光纤编织“生命线”——光纤光栅感知技术在花江峡谷大桥智慧索股中的研发及应用

悬索桥凭借其卓越跨越能力、轻质结构与美学价值，已成为大跨径桥梁建设的优选方案，在高速公路等领域广泛应用。花江峡谷大桥作为山区第一跨径和世界第一高桥，其主跨1420m桥面高625m。

其建设面临独特挑战：地处复杂峡谷风场环境，受山区气候剧烈变化影响，主缆健康监测与除湿系统成为保障运营安全的核心需求。该桥主缆由217根通长索股构成，单缆直径892.6mm，含91×φ5.7mm镀锌铝镁合金钢丝。复杂结构导致传统监测技术存在显著局限，包括数据精度不足±5%、误报率超15%、气候敏感性高（温度漂移达0.5%/℃）及人工巡检强度大（日均4小时高空作业）等痛点。

光纤布拉格光栅（FBG）传感技术凭借其本征抗电磁干扰（＞60dB）、多参数同步感知（应变/温度/湿度分辨率分别达1με/0.1℃/0.5%RH）、长距离分布式监测（单光纤覆盖10km）等优势，为破解上述难题提供了创新路径。

本研究的目标是实现主缆索股具有监测主缆应力应变、温度湿度适时数据的功能，组网并实现在线监测与即时安全预警。具体包括具有监测主缆应力应变、温度湿度适时数据的功能，实时查看应力变化，记录应力历史变化曲线，组网功能可实现远程智慧化监测。

本研究涉及的测量参数包括应力应变、温度和湿度。传感设备采用应变型、温度型和湿度型光栅光纤阵列。测点布置方案见图1，在通长主缆索股全程断面，每隔1m设置一个测试断面。

图1 测点布置方案

智慧索股主要性能参数及检测感知参数见表1。

系统建设包括硬件系统搭设和软件系统搭设。硬件系统主要包括光纤光栅传感器的安装与调试，软件系统则涉及数据采集、处理与传输。

光纤光栅材质为SiO ₂ ,其物理性能就表现出天然的易碎特性，所以其抗压、抗折的能力极弱，而主缆在生产和架设过程中，难免出现折弯和挤压的状况，加之于架设施工现场条件和工程应用工况十分恶劣，智慧索股的架设难度大，所以保障光纤光栅全过程存活是研发和生产的关键点，因其稍有不慎就会导致光纤光栅出现不可逆转的损坏而报废。

主缆主要材料是钢丝，而光纤材质是SiO ₂ ，其延伸率分别是4%和1%，光纤光栅的延伸率（1%）远低于主缆钢丝的延伸率（4%），因此要适配好这两种材质的测量精度，特别是应力应变测量，如何协同，就必须提高监测量程，以适应主缆钢丝的受力监测。

在目前光纤光栅传感技术应用中，大多是几十米或百数米，还没有达到过千米的量级，花江峡谷大桥通长索股达2380m，因此解决超长光纤的光信号衰减问题，研发新型调制解调模块是又一关键点。

高温防护 ：光纤光栅的耐受温度为80℃，而主缆锚固瞬时温度可达460℃以上，需要解决高温防护问题。

抗挤压性能 ：智慧索股在架设过程中容易受到挤压，需要确保光纤光栅在受力后仍能正常工作。

应力应变传感件结构

应力应变传感件采用新一代超弱光纤光栅技术，碳纤维复合材料（CFRP）智慧丝结构，包括：裸光纤、光纤涂层保护层、碳纤维保护层、树脂保护层，采用碳纤维丝缠绕光纤，通过树脂加热硬化制成。

温湿度传感件结构

温湿度传感件采用螺旋铠、凯夫拉和金属网复合结构，保证水蒸气的扩散条件，绞制后直径为 5.7mm。

智慧索股根据主缆应力分布和温度场的变化，特别考虑主缆上下部温度湿度的较大不同，对营维设备的需求不同，布置在主缆的不同位置，以实现全面监测，具体布置如图2所示。

图2 智慧索股布置方案

温湿度型智慧丝

温湿度型智慧丝在主缆中，主要用于感知索股所在服役环境的气候环境信息，并将信息传送到解调中心，解析成为控制启闭除湿系统的信号，所以温湿度智慧丝不需要承受除自重和主缆成缆服役时形成的挤压力外的其他附加拉应力，因此只要充分考虑其对气氛的通透性和足够的抗挤压能力，就可以满足其使用要求，基于主缆索股六边形结构的特点，将智慧丝布置于索股正中心，以减小智慧丝受挤压力与摩擦力，最大限度保障光纤光栅存活率，同时在研制过程中充分摸拟运营时的受力状态，以确保投运后正常服役。

应力应变智慧丝

应力应变智慧丝要承受自重和成缆服役的挤压力外，还必须承受桥梁恒载和动载形成的拉应力，并且要协调好金属丝与光纤之间延伸率差别大的问题，确保锚固的可靠和测量的精度，采用CFRP复合材料，特别是不同材质进行热铸复合锚固的方案要进行充分考虑和试验论证。

应力应变智慧丝，必须要保证自身抗拉力值达到主缆钢丝等强度破断拉力值，同时锚固效能大于或等于1.0，对锚具作针对性设计，同时进行拉力实验验证。根据设计要求，花江峡谷大桥单根主缆钢丝平均最小破断拉力值为49kN，我们通过专业拉力试验设备进行拉力试验验证，如图3所示，拉力值达到设计要求。

图3 智慧丝拉力试验

根据深化图纸的技术要求进行分析，智慧丝最大的威胁是拉力损坏和成缆服役抗挤压损坏，由全桥桥型受力分析可知，在吊索最长点吊索力值最大，承受的挤压力最大，该点索夹如图所示，螺杆直径φ41.75mm，共计16根，螺杆材料为40CrNiMoA,抗拉强度为980MPa；定义在螺杆达到屈服时主缆受到压力最大，以此计算每股每米所受到的压力值。

通过计算吊索最长点的索夹挤压力值，确定每股每米所受的压力值，计算结果表明，索股所受挤压力值为30.7kN。

按照上述理论计算出的挤压力值进行抗挤压试验，试验流程如图4所示，加载到365.3kN进行抗挤压破坏试验，试验结果表明，测温度湿度光缆经365.3kN挤压力后，智慧丝表面有轻微挤压痕迹，但光栅无损伤，检测信号正常；测应力、应变智慧索股，经365.34kN挤压力后，智慧丝表面有轻微挤压痕迹，但光栅无损伤，检测信号正常。

图4 抗挤压破坏试验

采用复合锚固技术，制作流程详见图5，攻克光纤光栅传感器热铸锚成活难题。

图5 复合锚固制作流程

对智慧索股试验样品施加95%最小破断拉力值4324.08kN并保载10min，卸载后对样品进行信号检测如图6所示，无断丝，光纤信号正常，智慧索股经静载试验后满足设计要求。试验结果如图7所示，表明光纤在不同载荷条件下表现出优异的光学性能，并准确反映应力和应变的变化，满足智慧缆索项目的高精度监测要求；测量通光效果良好，说明主缆钢丝与智慧丝延伸协同性能很好，满足使用工况要求，锚固方式可靠且安全，方案完全达到设计和服役目标。

图6 静载试验 及信号检测

图7 静载试验结果

一项技术的开发和创新，其关键在于实际工程的应用，并能落地，花江峡谷大桥作为山区第一跨径大桥和世界第一高桥，地势险峻，施工条件较为恶劣，对具有脆性的SiO2光纤极不友好，特别是光纤光栅长度达2380m的超长距离，极有难度，为解决现场施工难题，在对施工现场实地考查的基础上，编制了针对性的《智慧缆索放索工作指南》，对现场施工进行有效管控。攻克的关键技术包括：智慧缆索长距离大落差牵引工艺技术难题；智慧缆索吊装协同变形技术难题；智慧缆索入鞍入锚抗挤压技术难题。重点是做好施工过程中解决小折弯、绕自身轴线转运和牵引工作与速度协同的问题，确保智慧线在施工过程中不出现附加应力和大曲率损坏。

本研究聚焦FBG技术在智慧索股中的工程化应用，通过构建主缆通长索股应力-温湿度耦合监测体系（采样率1kHz），攻克了缆索制造过程中传感器植入（存活率大于95%）、信号解耦（交叉灵敏度小于3%）等关键技术，最终形成覆盖桥梁全寿命周期的智能运维方案。该实践不仅验证了新型监测系统的可靠性（误报率降至2%），更为山区特大跨径悬索桥的数字化管养建立了技术范式。

智慧索股架设，主要是对架设线路保障能力的确认，保证在每个点位都平衡，顺滑无障碍，同时控制牵引速度，确保没有附加破坏应力，同时对进入散索鞍、主索鞍和锚固点等转折点的精细策划和施工保障，在每一个IP点位通过时都要进行通断测量，以保障架设安全后的主缆智慧索股完好。

光纤光栅技术在高速公路悬索桥中的应用具有广阔的发展前景，通过在主缆中布置光纤光栅传感器，可以实现对桥梁结构的实时监测和安全预警，为桥梁的健康监测提供了一种新的解决方案，然而，光纤光栅技术在应用过程中也面临着一些挑战，如光纤光栅的耐受温度有限、超长光纤光栅的制造和传输困难、智慧索股的架设难度大等问题。通过这次研发施工投入，为未来进一步研究和解决智慧建造问题，实现数字化赋能，推动光纤光栅技术在悬索桥中的广泛应用，为桥梁的安全运营提供有力保障，具有很强的现实意义。

花江峡谷大桥通长索股实现实时应力应变、温湿度在线智慧化监测、控制,是光纤光栅传感技术的一次创新应用,是桥梁构件智慧化的一次大胆尝试。为桥梁全寿命周期建造、运维、管养等各阶段实现精准、科学、可靠控制提供新思路和选择,这正是技术创新的意义所在。