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地震防災:橋梁自動化量測作業–全橋安全監測

橋梁巨長而人渺小,‬現今的橋梁安全管理多依靠檢測人員巡視,難以達到即時安全管理的效果,而「全方位光纖監測系統」能隨時自動化執行量測作業,監視橋梁的安全狀態。
 
 
橋梁是交通樞紐

交通建設是經濟活動的命脈,橋梁是交通建設的樞鈕。上下班和上下學途中,時常需要通過橋梁。臺灣地理環境特殊,地震、颱風、洪災頻繁,時常威脅橋梁和用路人的安全。

臺灣現今的橋梁安全管理多依靠檢測人員巡視,不但耗時費力,更難以達到即時安全管理的效果。因此,國家實驗研究院地震工程研究中心(國震中心)開發了一組「全方位光纖監測系統」,能隨時自動化執行量測作業,監視長距離多跨數橋梁的安全狀態。

這系統的功能包括可監測河川水位高度,在洪水過大而沖毀橋梁前提出警告;可監測全橋路面是否連續完整、伸縮縫變位是否過大、橋面高度是否有些微改變、橋柱是否傾斜或沉陷,並在橋梁崩陷前預警;可監測斜張橋鋼纜的拉力,確認鋼纜支撐梁身力量是否正常;橋梁一旦發生異常狀態,監測系統會在第一時間通報管理者,管理機關能趕緊提出警告和封閉橋梁,避免人員傷亡、災情擴大。

未來,國家實驗研究院將推廣這監測系統,連接交通號誌即時通告用路人關於橋梁的安全狀況,讓國內橋梁管理更有效率,提升大眾用路安全。
大直橋,採釣竿式斜張橋型式設計。
▲大直橋,採釣竿式斜張橋型式設計。
 
光纖傳輸原理

全方位光纖監測系統使用的基礎材料是光纖與光柵,再把這基礎材料轉變為感測儀器。

光纖是光導纖維的簡稱,是傳輸光能的材料,通常是玻璃或塑膠纖維。光的傳輸是利用光的全反射原理,以通訊傳輸為目的,因此玻璃纖維必須相當潔淨,才能長距離傳送訊號。獲諾貝爾物理獎的高錕先生在1966年提出用玻璃代替銅線,利用清澈透明的玻璃以光來傳輸訊息。

過濾光波的原理
 
光纖光柵可視作兩種不同折射率 n 的玻璃材質,以特定的間距厚度 d 排列而成,形成一個過濾光波的過濾器,使特定波長 λB 的光在反射回程中產生相長干涉。光纖上其他波長的光則不受太大影響,繼續向前傳輸。光纖光柵實際的製作,是使光纖曝照紫外線以改變曝照區域材料的折射率。
光柵受力光訊號傳輸改變示意圖
▲光柵受力光訊號傳輸改變示意圖

以其中的紅光柵為例,當紅光柵受拉時,光柵微微變長,反射光由紅色變為粉紅色。當紅光柵受壓時,光柵微微變短,反射光由紅色變為深紅色。反推可知,由波長的改變量可知光柵受拉或受壓,其力量是多少克重。據此,有了明確的波長改變量與光柵受力的對應關係,因而可利用光柵來製作儀器,如光纖沉陷計。

光纖沉陷計的原理

在光柵的兩端,以熱收縮套管夾住光纖,做為外力導入光柵的媒介。

這局部組織形成儀器元件,可結合其他機構或物理原理共同組成儀器。利用連通管原理與浮力原理,當右側水筒上升時,左側水筒液面隨之上升,左側光柵承受的拉力因而減小,折返的光波長變短。反之,當右側水筒下降時,左側水筒液面隨之下降,左側光柵承受的拉力因而增大,折返的光波長變長。這樣的機構就形成了沉陷計,可幫助監測橋墩是否沉陷或傾斜。‭ ‬
光纖沉陷計運作原理
▲光纖沉陷計運作原理
 
應用案例

2010年4月25日,國道三號南下3.25公里處靠近瑪陵坑七堵路段發生山崩意外,坍塌的大量土石掩埋路堤並造成部分橋梁損傷。高速公路局分2個階段修復橋梁,第2階段於11月完成匝道修復作業,並經載重試驗確認安全後開放通車。國震中心參與這階段的載重試驗,應用光纖沉陷計迅速完成橋梁載重變形量測,並與傳統千分儀量測的結果比對。

在橋梁現場,技術人員於箱型梁中布設光纖沉陷計,光纖沉陷計彼此以連通管連接。此外,在斜坡上安裝了電子式千分儀,核對光纖沉陷計的量測結果。當重車駛入橋梁並停在大梁中點造成中點變位時,這變位分別由電子式千分儀及光纖沉陷計讀出,數據顯示兩個不同類型儀器的量測結果相當一致。
 
這試驗的條件相當特殊,當地正好有個緩斜坡,緩斜坡距大梁中點只有二公尺高,緩斜坡上可架設千分儀量測大梁中點垂直變位。一般高架橋是二十幾公尺高,有的高架橋甚至有40~50公尺高,在陡峭山坡地上不太可能架設千分儀來量測大梁中點變位。而傳統人力測量使用水準測量,也很難在橋面上風雨中佇立作業,且是要求公釐等級的垂直變位。而應用光纖沉陷計能從容地在箱梁中作業,做為長期監測使用也相當方便。

另外,2012年9月,國震中心與臺北市政府合作,在大直橋全橋布設光纖監測系統,其中的光纖沉陷計即時監測大直橋車流與地震的大梁垂直變位反應。
車流擾動即時監測示意
▲車流擾動即時監測示意

 
把7組沉陷計沿主跨中央分隔島布設,光波長數據經軟體分析能即時繪示大梁高程變化。各組管筒有水管連通,當橋面高程改變時,管筒與水管的水流動造成管筒中液面高度改變,光柵受力微變形,使得光柵的光波長讀數改變。以1L為參考零點,經疊加計算,可得到其他7個點位的高程。

當重車經過或地震發生時,在沒有發生結構破壞的情況下,高程線形會暫時改變,稱為彈性變形,隨後恢復原高程線形。若強烈地震擾動造成橋柱破壞歪斜,或土壤液化橋墩沉陷,或河床沖刷橋柱歪斜,則所監測的高程線形會永久改變。因此,高程線形是判讀橋梁是否安全的基本關鍵。
大直橋受震即時監測實例
▲大直橋受震即時監測實例


未來,這套監測系統可協助政府橋梁養管機關監控長距離多跨數橋梁,提升大眾用路安全與防災應變速度。
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