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基于BOTDA的钢桥面铺装裂缝疲劳扩展研究
摘要
钢桥面铺装作为桥梁的重要部分，受到交通和自然力的长期作用，容易出现裂缝和疲劳扩展等问题，给交通安全和行车舒适度带来威胁。本文基于BOTDA光纤监测技术，研究了钢桥面铺装裂缝疲劳扩展规律，结合实验和有限元模拟的结果，提出相应的防治对策，为钢桥面铺装的设计和维护提供了重要参考。
关键词：BOTDA光纤监测技术；钢桥面铺装；裂缝；疲劳扩展；有限元模拟
Abstract
Steelbridgedeckpavement,asanimportantpartofthebridge,issubjectedtolong-termeffectsoftrafficandnaturalforces,whicharepronetoproblemssuchascracksandfatigueexpansion,whichposeathreattotrafficsafetyanddrivingcomfort.BasedonBOTDAfiberopticmonitoringtechnology,thispaperstudiesthecrackandfatigueexpansionofsteelbridgedeckpavement,andproposescorrespondingpreventionandcontrolmeasuresbasedontheresultsofexperimentsandfiniteelementsimulation,whichprovidesimportantreferenceforthedesignandmaintenanceofsteelbridgedeckpavement.
Keywords：BOTDAfiberopticmonitoringtechnology;Steelbridgedeckpavement;crack;fatigueexpansion;Finiteelementsimulation
1.研究背景
随着经济和交通的发展，桥梁建设已成为城市化和现代化进程不可或缺的一部分，桥梁的安全性和可靠性也日益受到重视。而钢桥面铺装作为桥梁的主要承载面层材料，承受着高强度交通载荷和复杂的气候环境，早期的老化和劣化现象随着使用年限的增加而逐渐显现，如隆起、脱落、裂缝等问题。
其中，钢桥面铺装裂缝和疲劳扩展是影响其使用寿命的主要问题之一。裂缝的出现不仅使桥面得到进一步破坏，还会引起汽车在行驶时的颠簸，影响驾驶安全和舒适性；而疲劳扩展则会导致裂缝的加深和扩展，直接威胁桥梁结构的安全性。
因此，对钢桥面铺装裂缝和疲劳扩展进行研究，找到其规律以及引起其产生的主要原因，对于提高桥梁使用寿命和安全性具有重要意义。
2.BOTDA光纤监测技术
BOTDA（BrillouinOpticalTimeDomainAnalysis）光纤监测技术，是一种基于光纤布里渊散射原理的高分辨率、长测距、无损监测技术。该技术通过在光纤散射光谱中探测布里渊频移，可以实现对光纤中任意位置和纵向受力情况的高精度测量。BOTDA技术具有灵敏度高、分辨率高、不受干扰、测量范围大等优点，被广泛应用于桥梁、管道、隧道等工程结构中的力学性能检测和安全监测。
3.实验方法与数据分析
3.1实验材料
本次实验采用的是一段尺寸为3.5m×2.5m的钢桥面铺装样板，由不锈钢材料制成，厚度为12mm，铺装面为铺装级配为7-13mm石子的混凝土。在铺装中间部位依次开设宽度为5mm和10mm的人工裂缝，用向下弯曲模式的万能试验机作用样板的重复荷载进行疲劳扩展试验。
3.2BOTDA光纤监测系统
本次实验采用的BOTDA光纤监测系统由一根长约4km的单模光纤、光源、探测器、信号处理器等部分组成。将光纤固定在样板的下方，与样板之间距离为2mm，通过探测器和信号处理器获取采集的光谱数据，并将其转化为样板的应变数据。
3.3有限元模拟
为了验证BOTDA光纤监测系统的准确性，本次实验还采用了ANSYS有限元软件对样板进行了模拟。模型的材料属性和实验条件与实验相同，通过疲劳荷载作用于样板上的裂缝部位，模拟了疲劳扩展过程。
4.实验结果分析
图1为BOTDA光纤监测系统监测到的样板表面裂缝、疲劳扩展情况及其对应的荷载过程。由图中可见，随着疲劳荷载的重复作用，裂缝开始出现，并向两侧扩展，对应的应变值也逐步增大，说明BOTDA光纤监测系统能够准确的监测到裂缝的出现和扩展过程。
图2为有限元模拟的结果，与BOTDA监测结果的曲线对比可以发现，其趋势和变化规律基本相同，验证了BOTDA监测系统的准确性和可靠性。
5.预防与治理措施
针对钢桥面铺装裂缝和疲劳扩展问题，可以采取以下措施进行预防和治理：
（1）在设计时合理选择材料和结构形式，提高钢桥面铺装的承载能