光纤光栅传感器在大体积混凝土基础温度监测中的应用

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第20卷1期实验力学Vo1．20No．12005年3月JOURNALOFEXPERIMENTALMECHANICSMar．2005文章编号：10014888《2005)O1-0023-07光纤光栅传感器在大体积混凝土基础温度监测中的应用米赵鸣，何涛，李杰(同济大学建筑工程系，上海200092)摘要：光纤光栅传感器具有体积小、质量轻、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、传输频带较宽、易于进行分布式测量等诸多其他传感器所不具备的优点，更适用于现场的长期健康监测。大体积混凝土在施工过程中的温度问题

2、如处理不当将会引起混凝土开裂。利用温度计、热电耦等作为传感器的传统的检测手段已经大大的制约了数据的准确性与精度。寻求一种高精度温度检测手段已经成为用于现场结构监测的前提。本文结合具体的工程实例介绍了光纤光栅传感器在基础混凝土温度监测中的应用，介绍了监测系统的组成，传感器的构造和标定，并利用实测温度预测基础混凝土底板中温度应力，及时采取措施防止混凝土的开裂。关键词：光纤光栅传感器；健康监测；温度应力中图分类号：TU375文献标识码：A1引言所谓大体积混凝土结构，是指整个结构尺寸已经大到必须采取相应技术措施来妥善处理温度差值，合理解决温

3、度应力并控制裂缝开展的混凝土结构。因此对大体积混凝土结构基础温度在施工期过程中的监测显得尤其重要，但是利用温度计、热电耦等作为传感器的传统的检测手段已经大大的制约了数据的准确性与精度。寻求一种高精度温度检测手段已经成为用于现场结构监测的前提。根据光纤光栅所具备的高精度绝对测量、准分布式数字测量、抗电磁干扰、耐腐蚀、构造简单、使用方便等诸多优点，本文采用光纤光栅温度监测技术来对大体积混凝土的基础温度进行长期的温度监测，从而控制施工过程中的混凝土的温度应力，防止混凝土的开裂。2光纤光栅传感器的原理光纤布拉格光栅传感器中利用的光纤光栅是沿

4、光纤轴向折射率周期变化的一种光栅，根据耦合模理论，当宽带光在光纤布拉格光栅(FiberBraggGrating)中传输时，产生模式耦合，其布拉格反射峰波长A与光纤光栅周期A的关系为：A6：2hA(1)式中n为光纤的有效折射率。可导致以和n改变的物理量如温度、应变等均可用FBG测量。通常的光会全部穿过布拉格光栅而不受影响，只有特定波长的光(波长为A)在布拉格光栅处反射后会再返回到原来的方向(图1)⋯。在布拉格光栅处施加外力或温度改变，光栅的间隔产生变化后，反射回来的光的波长也会相应发生亲收稿日期：2004一O6—06；修订日期：200

5、4—12—09通讯作者：赵呜(1963一)，博士，副教授，主要从事结构安全检测与监测的研究。E—mall：zhaom@mail．tong~i．edu．cn维普资讯http://www.cqvip.com24(2005年)象2O卷一一十m一一一图1光纤光栅结构及原理Fig．1Theprincipleandstructureofopticfibergrating变化。布拉格波长A同时受布拉格光栅周期和纤芯有效折射率扰动的影响，因而通过监测布拉格波长的变化即可测出应变和温度扰动。FBG反射光的中t2,波长随应变和温度变化的位移为：AA6=

6、A6(1一P)△+A6(1+~)zXT(2)式中：△A为应力和温度变化引起的反射波长的改变；ZXe为应变的变化；AT为温度的变化量；p为光纤的光弹系数；为光纤的热光系数。当△=0时，则AA=A(1+)△，即反射光波长的变化量与温度的变化量成正比，故对光纤光栅传感器进行温度标定，即可测量绝对温度。标定方法如下：在恒温箱中℃时，测量光栅波长A，在℃时，测量光栅波长A，由于波长和温度呈线性变化，得斜率：=措(3)若测量时波长为A，则此时传感器测点处的温度应为：，：+(4)3光纤光栅温度监测系统3．1工一程一概况苏州工业园区现代大厦位于苏州

7、工业园区内，采用框架核心筒结构体系，地上20层，地下2层，结构高度98．595m，基础为桩加筏板结构形式，主楼下基础底板厚为2．5m，核心筒基础厚7．8m，混凝土底板长118m，宽48m。混凝土设计强度为C40。基础底板混凝土施工采用连续浇注。由于基础板厚比较大，在浇筑混凝土的过程中混凝土会产生大量的水化热，当混凝土内部温差超过一定限度时，其内部温度应力就会引起混凝土产生裂缝。因此需要监测混凝土表面温度和内部最高温度及其温差值。通过在混凝土内部埋置光纤光栅传感器来对在浇筑以及养护过程中的温度变化进行实时监测，预测基础混凝土中的温度应

8、力，以便及时采取措施控制混凝土的最大温差，从而确保基础底板混凝土的施工质量。3．2监测系统该基础厚度分别有2．5m、6m、7m，采用光纤光栅传感器(见图2)进行测温。光纤光栅传感器采用金属套筒保护，使传感器在感受温度变化的同时可以自由