光纤光栅传感器在桥梁工程中的应用

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1、2　光纤光栅传感器在桥梁工程中的应用自光纤光栅传感器于1990年首次埋入环氧纤维复合材料中以及1992年首次埋入混凝土梁中以来,大量在桥梁、水坝、管线、隧道、矿厂、核存储容器、天然气压力罐、建筑物以及道路等基础结构的力学参数测量、状态监测中得到应用。其中,应用光纤光栅传感器最多的领域之一当数桥梁结构的健康监测。1993年,加拿大卡尔加里的Beddingtontrail大桥首先使用了光纤光栅进行应力测量并用此方法长期监测桥梁结构[3]。该桥是一座两跨三车道的铁路桥,这座桥使用了26片预制的预应力混凝土梁,其中6片使用了两种CFRP材料,一种是日本东京一家缆索制造有限公司生产的碳纤维复合材料筋

2、,简称为CFCC;一种是日本的Mitsubishi化学制品公司生产的碳纤维增强导杆,简称为CFLR。其他的预应力筋采用普通钢绞线。如图2所示,18个光纤光栅传感器被安装在这3种不同类型的预应力筋的各个部位上。在安装光纤光栅传感器的时候,研究人员遇到了一个非常棘手的问题,那就是如何在混凝土浇筑和振捣时不破坏图2　光纤光栅传感器在Beddingtontrail大桥上的位置传感器和光缆。此外,为了防止光纤受潮气和碱性环境的腐蚀,还必须使用特殊的套索,这样还可以减少缩裂与微弯作用,这两种作用都会影响光纤的整体性,还会导致光信号强度的减弱。浇筑混凝土时,必须用振捣棒不停地振捣混凝土,使混凝土在密集的

3、钢筋笼中均匀分布,同时必须合理选择光缆的布置路线,避免光缆在振捣过程中被损坏。光缆沿着钢筋被引入一个接线盒内,这个接线盒被螺栓固定在模板内侧。在混凝土蒸气养护之前,接线盒一定要密封,以避免光缆变脆,这一点非常重要。如图3所示,安装在该桥中的光纤光栅传感器不仅实现了对3种预应力筋性能的监测和比较,对混凝土的状态和性能的长期评估,还实现了对交通中的极限荷载以及桥梁荷载历史的监测。加拿大Winnipeg的Taylor大桥是目前记录的使用CFRP作为预应力筋的最大跨度的桥梁[4]。它的4片梁和一部分混凝土桥板采用了这种新型材料。该桥总共有5跨,总长165m,宽916m,每跨有8片33m长的工字形预

4、应力混凝土预制梁。该桥于1997年10月28日开放通车,是第一座智能桥。这座大桥上装备了一系列光纤布喇格光栅应变传感器(FOS)和一些普通的应变仪。66个FBG传感器分布在桥梁中的各个位置用来测量纵向的钢筋和预应力CFRP筋、横向钢筋和CFRP筋、CFCC筋、混凝土板、混凝土挡土墙的应变。图4显示的是粘贴在CFCC预应力筋上的FOS33和IC33传感器测得的应变和温度随时间变化的曲线。从图中可以看出,当温度降低时,CFCC筋的相对应变增加,反之亦然。表1总结了传感器于1998年1月30日、2月27日、3月27日以及4月17日所在的4个工作周记录下的预应力筋最小相对应变。如表1所示,在1月3

5、0日到4月17日两个工作周之间,传感器记录的应变不断增加,很显然应变增量的一部分是由温度增加而引起的。图5则显示了在1～4月间应变测量值和温度测量值的对应关系。在该桥的监测过程中,现场解调系统和计算机从光纤光栅传感器上获得并存储信息,并通过电缆线与遥远的中央监测站相连,从而实现了对该桥的长期实时健康监测。不同时段、不同温度条件下的预应力筋最小相对应变测量值[4]表1传感器ID最小相对应变με26-30/01/9823-27/02/9823-27/03/9813-17/04/98温度(℃)-20-1022FOSl-1150-950-480-220FOS57-720-580-280-120FO

6、S73-1525-1400-1085-920FOS33-480-320-20140FOS34-650-660-300-90FOS37-820-700-400-265图5　FOS73记录的应变和温度数据(1998年1-4月)　　加拿大的Confederation大桥是世界上跨在被冰覆盖的海洋上的最长的桥梁,它的跨度为1219km,箱梁设计为中空,以便于作为电讯设施的有用通道。该桥部分混凝土箱梁高达14m,一辆双层公共汽车可以从中通过。这座大桥中安装了一系列光纤布喇格光栅传感器对桥梁进行了健康监测。俄勒冈哥伦比亚河谷上的Horsetailfall桥是一座古老的桥梁,它于1914年建成,原为混凝

7、土结构,当初的设计不能满足现今的交通要求,后来采用纤维增强塑料复合材料对桥梁进行了加固,为了监视加固后的结构情况,把28个光纤光栅传感器安装在两片复合材料加固的混凝土梁上,从1998年开始至今,每个月用便携式光谱仪测量一次数据。佛蒙特大学的Fuhr和Huston领导的研究小组用光纤光栅传感器远距离监测沃特伯里佛蒙特光纤光栅传感器在桥梁工程中的应用与研究现状　王丹生等3　存在的问题及对策311　应变与温度交叉敏感问题光纤光