2 光纤光栅传感技术 - 中国土木科技网.docVIP

基于光纤光栅传感技术的桥梁结构健康监测系统应用 宁强1，胡军2 （1武汉理工光科股份有限公司，湖北 武汉 430070； 2武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室，湖北 武汉 430070） 摘要：随着施工技术及材料科学的发展，桥梁的跨度也越来越大。这对桥梁运营期的安全养护提出了更高的要求。目前结构监测的方式多样，本文以武汉天兴洲大桥结构健康监测系统为例，简单介绍光纤光栅传感技术在桥梁结构健康监测中的应用，并根据实际情况对光纤光栅传感器技术在该领域的应用进行展望。 关键词：光纤光栅技术 结构 健康监测 1 绪论 随着桥梁结构分析理论、施工技术迅速发展，桥梁跨度越来越大。如连接江苏南通与苏州的苏通大桥主桥斜拉桥跨度超过1080m；悬索桥跨度已达到1991m（日本明石大桥），钢拱桥最大跨度为上海卢浦大桥（550m），钢管混凝土拱桥为巫峡长江大桥（460m）。桥梁跨径越来越大，不仅要求精确严密的计算与施工技术，而且对桥梁建成后的安全养护提出了更高的要求。 1.1 桥梁结构健康监测的定义 对于评估桥梁结构关键部位使用性、可靠性和耐久性情况，我们确切需要采用一种有效方法来收集服役结构的数据并进行处理，因此，结构健康监测可以定义为：“在现场进行结构特性，包括结构响应的无损检测和分析。”其目的是：如果结构出现损伤，则对损伤进行识别、定位、评估损伤程度及损伤对结构功能的影响。总而言之，一个结构健康监测系统必须同时能够进行结构损伤检测和状况评估。 1.2 桥梁结构健康监测的意义 大型桥梁的生命过程一般包括规划与论证、设计、施工、运营管理以及养护维修等几个阶段。由于桥梁建设投资巨大、重要性突出，大型桥梁的总体规划也日益受到重视。但限于当前对于复杂桥梁结构的认识程度及其它不可预测因素（如超期服役、腐蚀、疲劳、撞击、以及地震、洪水等自然灾害）影响，人们难以进行准确的预测与控制。为了确保大型桥梁的使用安全与耐久性，实时了解其结构的健康状况是非常必要的。 2 光纤光栅传感技术 2.2 光纤光栅传感器的基本原理 光纤布拉格光栅是最普通的一种光纤光栅，是一种性能优异的窄带反射滤波无源器件。 当布拉格光栅受到外界应力（应变）作用时，光栅周期会发生变化，同时光弹效应会导致光栅有效折射率的变化；当布拉格光栅受外界温度影响时，热胀冷缩效应同样会使光栅周期发生变化，同时，热敏效应会导致光栅的有效折射率变化。基于光纤布拉格光栅原理的传感器基本上都是直接或间接地利用应变或温度改变光栅中心波长，达到测试被测物理量的目的。 2.3 光纤光栅传感技术的优势 应变测试的主导产品是光纤布喇格光栅(FBG)传感器，它不仅具有普通光纤传感器的许多优点，还有一些明显优于普通光纤传感器的地方：其中最重要的就是它的传感信号为波长调制。这一传感机制的好处在于：1）测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和测量仪器老化等因素影响；2）避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固定参考点的需要，能实现长期绝对测量；3）能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅，对结构的应变和温度等进行高分辨率和大范围的分布式测量。当前，光纤光栅传感器在航空航天器、石油化学工业设备、电力设备、船舶结构、建筑结构、桥梁结构、医疗器具、核反应堆结构等都有广泛的应用。 传统测试技术与光纤光栅测试技术的适用性比较见表1： 表1 传统测试技术与光纤光栅测试技术适用性对比表 测试技术 测试参数 传统测试技术 光纤光栅测试技术 应力—应变 电阻应变片 短期单点测量；长期稳定性差；不能进行长期在线绝对测量。 长期绝对测量；便于维护；不受环境噪声及电磁干扰，信噪比高；容易实现温度修正。 振弦式应变仪 长期单点绝对测量；钢弦蠕变及温度影响不易消除。 动态特性 压电式加速度传感器 扩散硅加速度传感器 低频段的测试精度不高；难以远距离传输；振动信号噪声影响大。 有很好的低频特性和测试精度；可远程测试，信噪比高。 温度 电测温度传感器 易受环境潮湿、电磁干扰；长期稳定性差。 抗干扰能力强，长期稳定性好；精度高。 3 工程应用 3.1 工程概况 天兴洲公铁两用长江大桥主桥为(98＋196＋504＋196＋98)m双塔三索面斜拉桥，上层为6车道公路，下层为四线铁路。斜拉桥主梁为板桁结合钢桁梁，上弦中部756 m范围是钢正交异性板桥面，两端各168 m范围是混凝土结合板桥面。每个主塔及桥墩处三片主桁下均设有竖向刚性支座，纵向为活动，在两主塔处主塔横梁与三片主桁之间设纵向液压阻尼支座。 项目包括：下弦杆、纵梁、横梁及主塔应变监测斜拉索索力及温度监测钢桁梁端位移监测钢桁梁动态特性监测 图斜拉桥桥段结构监测测点布置总图 传感器类型 监测项目 测点数量 受力状况 光纤光栅混凝土应变计 主塔应力 16