【创新进行时】当缆索植入光纤“神经”——多参数连续感知桥梁智慧缆索

“桥隧发展科技创新大会”是由《桥梁》杂志社主办的年度行业盛会，旨在为相关从业人员搭建一个传播理念、探讨技术、弘扬文化的交流平台。作为大会品牌活动，“桥隧技术及产品创新大赛”已成功举办九届，累计展示千余项创新成果，已成为行业内的标杆赛事。

为了更好的推广大赛成果，《桥梁》杂志推出“创新进行时”栏目，栏目将持续更新往届创新大赛参赛成果，旨在为创新企业提供一个展示的平台。希望“创新进行时”栏目能获得大家的关注，也欢迎各相关单位踊跃申报第十届桥隧技术及产品创新大赛。

今天为大家带来的是第九届桥隧技术及产品创新大赛“组委会特别推荐奖”的成果“当缆索植入光纤“神经”——多参数连续感知桥梁智慧缆索”。

当缆索植入光纤“神经”

——多参数连续感知桥梁智慧缆索

桥梁缆索被誉为桥梁的“生命线”，其安全性直接决定桥梁的整体稳定性与使用寿命。近年来，随着超大跨度桥梁的修建，缆索的规模、长度和强度等方面的不断突破。在悬索桥方面，五峰山长江大桥主缆直径达1.3m，土耳其恰纳卡莱1915大桥钢丝长度超4300m，南京仙新路长江大桥主缆钢丝强度超2100MPa。在斜拉桥方面，巢马长江大桥斜拉索规格达379*ϕ7.0mm，该桥钢丝强度同样突破2100MPa，常泰长江大桥斜拉索长度超630米。上述案例无不表示，缆索在桥梁中扮演的重要性愈发突出。

据美国NCHRP534指南统计，美国在役31座悬索桥主缆钢丝均发生了严重锈蚀，其中威廉斯堡桥主缆钢丝强度损失达到了35%。英国的福斯、塞文等桥主缆检查同样发现了钢丝锈蚀断丝。国内已建成的不少悬索桥主缆开缆检查也发现了钢丝锈蚀的问题。这些锈蚀问题的发生与缆索的钢丝应力、所处的温度和相对湿度等因素密不可分，其中相对湿度是最突出的因素。但缆索的目前监测技术（如加速度传感器、压力环）仍局限于单点或局部单参数的采集。

近些年来，也陆续出现了一些缆索非接触监检测方法，如机器视觉、红外热成像、毫米波雷达、无人机等，虽一定程度上实现了缆索全长的索力和外观状态监测，但实时性和可靠性仍存在一定不足，也不能实现主缆内部的湿度和温度监测。

图1 缆索因高湿造成的钢丝锈蚀问题

国际桥梁与结构工程协会（IABSE）2022年报告指出：“未来十年，缆索智能化监测技术将推动桥梁运维模式从‘被动维修’向‘主动预防’跨越。”这一趋势与我国“交通强国”战略中提出的“全生命周期智慧管养”目标高度契合。故亟需研发一种可实现缆索全域关键参数如温度、湿度和应变的密集连续监测的智慧缆索结构产品来解决上述问题和实现“全生命周期智慧管养”目标。

“以光代钢”的产品研制

光纤传感技术通过解析光信号在光纤中的传播特性（如波长、相位、强度）实现了环境参数的动态监测。其中，弱光纤光栅（wFBG）阵列传感技术的工作原理是——在单根光纤上刻写上万个反射率仅为0.01%～1%的微型光栅，当外界温度、湿度或应变变化时，光栅周期发生纳米级偏移，通过解调仪可解析出这种微小偏移，实现环境参数的高精度监测，进而将传统光纤的通信功能升级为分布式传感网络。另外，光纤传感技术与传统电子传感器相比具备抗干扰性（适合复杂环境）、耐久性（寿命超25年）、空间分辨率高（测点密度1m/个，测点覆盖率是传统技术的几百倍）等优势。显然，如果能够将弱光栅阵列传感光纤植入桥梁缆索内就可解决缆索全域关键参数如温度、湿度和应变的密集连续监测难题。

为此，中交二航局提出“以光代钢”的理念，即将传感光纤封装在与缆索钢丝等直径的结构中（该结构后文简称“数字光单元”）替换缆索内1～3根钢丝，从而形成内嵌传感光纤的智慧索股、智慧拉索以及智慧钢绞线等智慧缆索系列产品，具体产品研发思路如图2。

图2 智慧缆索系列产品研发思路

围绕多种弱光纤光栅阵列传感器与传统缆索组合的智慧缆索产品研发工作，主要在以下几方面进行了创新研究：

（1）针对不同缆索结构制造工艺与服役受力特点，首次提出了以数字光单元封装阵列式弱光纤光栅（wFBG）温度、湿度、应变等多种传感光纤，替换原索体内一根或多根钢丝，在锚头端部完成光纤信号接出的智慧缆索结构。开展了的悬索桥主缆用智慧索股、斜拉桥斜拉索或拱桥用智慧拉索（吊杆、吊索）、混凝土用智慧钢绞线结构专项设计，成功研制了可实现温度、湿度与应变密集（1m/测点）监测的智慧缆索新结构。

（2）开发了基于聚酰亚胺（PI）涂层多级涂敷工艺的PI-wFBG湿度光纤的拉丝塔生产线，实现了ϕ150μm湿度传感光纤批量生产；发明了缆索用传感数字光单元工业化生产线，实现了传感数字光单元3km级别批量制备；研制了智慧缆索结构专用光纤信号引出工艺，解决了460℃高温狭小空间环境下多根传感光纤信号的引出难题；开发了3000米级智慧索股、1000米级智慧拉索和100米级智慧钢绞线生产线，以及制定了智慧缆索结构感知性能标准试验检验方法，保证了智慧缆索系列产品的质量与产品成品率不低于95%。

（3）形成了智慧缆索配套安装工艺，有效保证了现场智慧缆索安装安全；提出了基于智慧缆索的考虑温度密集修正的缆索线形调整方法，提高了缆索线形控制精度，有效保证了其施工状态与设计状态的吻合；开发了基于智慧缆索的数据监测应用平台，揭示了缆索内部温度、湿度、应变全时空分布规律，实现了桥梁缆索全域结构状态的快速识别；制定了融合智慧缆索多源监测数据的缆索动态维护策略，提升了缆索管理养护水平。

缆索监测的跨越式提升

本文介绍的智慧缆索系列产品，可在不改变缆索整体结构外形，且不影响索体静力性能的前提下，赋予了缆索自身沿程温度、湿度和应变等密集测量的功能，产品具体测量性能指标见表1。

与传统监测技术相比，智慧缆索在数据维度（单一应变扩展至温度-湿度-应变三场耦合监测）、覆盖密度（测点间距从百米级压缩至米级，数据量增长上百倍）、全寿命成本（通过预防性维护减少突发维修，运管成本预计大幅降低）均实现了跨越式提升。产品具体特点如下——类型广：包含智慧索股、智慧拉索（斜拉索、吊索）、智慧钢绞线；范围大：覆盖缆索全长；测点密：光栅测点间距1m，优于传统的单测点，或上百米一个测点的产品；参数多：测量参数覆盖缆索结构所关心的主要参数温度、应变、相对湿度等；精度高：各参数测量精度搞，满足多数工程需求；外观优：智慧缆索外观与传统缆索保持一致，基本不改变原有施工工序，更易推广接受；信号稳：专用信号接收盒设计保证光纤在恶劣现场环境下信号稳定输出与长期工作性能。

产品应用

智慧缆索系列产品在国内多个项目示范应用，如深中通道深中大桥、广州鹤洞大桥、武汉双柳长江大桥等，均成功实现了缆索结构全长范围内的多状态在线监测，有效提高了桥梁缆索监测水平，保证了桥梁结构的安全。

以智慧索股产品应用案例为例。深中通道深中大桥（原名伶仃洋大桥）为主跨1666米的三跨全漂浮体系悬索桥，是目前世界最大跨径海中钢箱梁悬索桥。深中大桥单根主缆由199根通长索股组成，每根索股又由127丝、直径6毫米的2060MPa镀锌铝钢丝组成。大桥主缆面临“高盐、高湿、高温”的极端海洋环境挑战，主缆钢丝在此环境下极易发生锈蚀，主缆耐久性问题十分突出。为此，本工程建设期间采用了智慧索股结构来监测获取主缆全域内温湿度变化数据，用以指导干空气除湿系统运行和大桥主缆管养工作。

深中大桥主缆挤圆后直径约1.07m，断面存在较大温差与湿度差，为尽可能描绘出主缆断面的温度与湿度梯度场，4根内封通长温度和湿度传感光纤的3006米长智慧索股沿主缆不同深度布置。具体为：在主缆的100号索股位置布置1根智慧索股，以获取主缆最中心的温度与湿度；在38号和42号索股位置分别布置1根智慧索股，以获取主缆下部温度与湿度，同时38号和42号索股对称布置，可对比采集的温度与湿度数据；在175号索股位置布置1根智慧索股，以获取主缆上部温湿度数据。

图3 深中大桥智慧索股布设位置

4根智慧索股随普通索股一同船运至深中大桥现场。由于智慧索股外型与普通索股外形相同，故其整体采用普通索股架设工艺施工，即用现场布设门架双线往复式牵引系统，按16～24 m/min的速度将智慧索股牵引到位。待智慧索股入锚后，打开锚头盖板，接上光纤跳线与解调仪，即可进行索股全长的温度与湿度密集监测。

深中大桥4根智慧索股分别于2022年6～9月安装到位，随后续其他索股的架设、紧缆、索夹安装、主梁吊装、桥面铺装、防护系统安装与桥梁通车等状态的进行，主缆状态和受力不断发生变化。为获取主缆内智慧索股随工序转变的实时服役状态变化，从智慧索股安装到桥梁通车进行了长期的数据采集。结果表明：每根智慧索股内光栅数目未随主缆状态和受力的变化而变化，与出厂时的光栅数目基本保持一致，这表明当前智慧索股结构可保证其内光纤在整个服役周期不参与结构受力，同时保护其内光纤正常工作。截至2025年2月，深中大桥已通车8个月，智慧索股仍正常工作中。

除深中大桥项目外，团队正在服务双柳长江大桥智慧索股安装应用工作。双柳大桥2450米长主缆由“165根常规索股+3根内置阵列式弱光纤光栅温度、相对湿度和应变传感器的智慧索股（编号13#、70#与157#）+1根中心除湿气管（编号85#）+干空气除湿系统”组成。团队目前负责该桥下游侧3根智慧索股的制造、安装与应用工作，目前该项目已成功安装2根智慧索股。

图4 双柳长江大桥应用

期待具有“神经网络”的桥梁

智慧缆索通过植入光纤“神经”，实现了缆索全域温度、湿度、应变等参数的米级空间分辨率监测，使传统“无生命”缆索进化为具有“实时自诊断”能力的智慧结构，根本上解决了缆索全域多参数密集监测难题，实现了缆索“全生命周期智慧管养”目标。

随着本文所研发的智慧缆索系列产品在国内项目的应用与推广，了解到行业内其他缆索制造厂家也纷纷提出了各自的“智慧”缆索产品，如贵州花江峡谷大桥、苍容浔江大桥等项目，显然行业已认定智慧缆索是传统缆索升级革新的重要方向。这是因为智慧缆索技术不仅是一次监测手段的升级，更是桥梁运维范式的革命。通过赋予缆索“自我感知”能力，缆索运管将由“传统被动式检修”转向“数据驱动的主动预防”，大幅提升桥梁安全性与运维经济性。

在智慧缆索技术的引导和带领下，相信后续还会衍生出智慧桩基、智慧主塔、智慧主梁等各种以光纤传感为核心的智慧桥梁构件，最终形成具有“神经网络”的全数字化的桥梁结构。另随着DeepSeeK、数字孪生等技术的深度融合，未来桥梁将进化为“会说话”的智慧生命体。在这一进程中，中国技术正从跟随者转变为引领者，书写智慧交通的新篇章。

本文刊载 / 《桥隧产业》杂志

2025年 2月刊 总第59期

作者 / 王蔚 杨建平

作者单位 / 中交第二航务工程局有限公司

编辑 / 王硕

美编 / 赵雯

审校 / 李天颖 王硕 廖玲

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