分布式长标距FBG传感技术在桥梁结构监测中的应用研究

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1、70世界桥梁2015，43(1)分布式长标距FBG传感技术在桥梁结构监测中的应用研究郭宗莲，张宇峰。陈紫妍。。邵佳妮。(1．江苏海事职业技术学院电气与自动化工程学院，江苏南京211170；2．江苏省交通科学研究院股份有限公司，江苏南京2l1112；3．东南大学土木工程学院，江苏南京210012)摘要：为了在桥梁健康监测中准确获得结构变形，对基于分布式长标距光纤光栅(FBG)传感技术进行研究。该方法对FBG传感器进行二次开发，增长其测量标距，采用耐久、力学性能良好的封装材料对其进行封装；根据共轭梁法原理，利用FBG测量到的应变

2、分布计算结构变形。在试验用混凝土“T”梁上安装标距长度为5Ocm的长标距FBG分布式传感器，并同时安装百分表实测挠度，两者测量结果表明：分布式长标距FBG传感技术可有效监测结构的受力和变形，与百分表所测到的挠度值误差在5之内。关键词：桥梁结构；FBG；分布式传感技术；长标距；应变监测中图分类号：U446．2；U441．5文献标志码：A文章编号：16717767(2015)01—0070—051引言粗放式施工和恶劣的工况条件下使用。而且，一般结构变形是反映桥梁结构整体性能的宏观指的FBG传感器测量标距比较小，栅距长度通常为5～

3、标，是桥梁健康监测的重要内容。目前，实际桥梁_T10mm，被认为是典型的点测量传感器，很难对混凝程结构的变形监测仪器主要有激光挠度计、GPS、连土这种局部性能离散大的结构进行准确的应变测通管、水准仪等口]。激光挠度计受能见度、空气质试，特别是在混凝土出现开裂等破坏后。因此，为了量等气候条件的影响比较大，在实际工程中的应用对混凝土结构进行准确测试，需要对常规的“点式”受限且基准点的定位比较困难；利用GPS技术可以FBG传感器进行二次开发，一方面增长其测量标获得_工程结构的竖向和横向变形，但该方法的精度距；另一方面采用高耐久性且

4、力学性能良好的封装比较低，而且单点测试的成本很高；对于一般跨径的结构对其进行封装。梁式桥梁，可以采用传统静力水准仪或压力变送器采用耐久性好的纤维增强复合材料(FRP，Fi—等测试手段，但由于液体流动的粘滞性和压力传递berReinforcedPolymer)进行二次开发封装，设计的滞后性，往往仅能反映桥梁在温度等长周期效应的单个长标距FBG传感器构造如图1所示，纤维材影响下的响应，而不足以反映其在车辆荷载等较高料可以采用碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维等耐久性频率影响因素作用下的结构响应。此外，上述各种优良的纤维材料。在两固定点

5、之间形成传感器的标方法均难以对结构的变形进行实时监测。距长度，标距长度可以根据具体的工况条件在1O～为此，本文提出利用长标距光纤光栅(FBG，Fi—200cm范围内选定，在传感标距内光纤处于自由状berBraggGrating)传感技术测量混凝土结构一定态可形成均匀的应变场。范围内的应变，并用分布的长标距应变值通过共轭梁的方法获得结构的挠度分布。3基于长标距FBG传感器的监测原理3．1应变监测2长标距FBG传感器FBG是用紫外全息曝光法在普通光纤上形成FBG传感技术中微弱纤细的裸光纤光栅特别的一种纤芯折射率周期性变化的光栅。

6、通常光会穿脆弱，抗剪和抗破坏能力差，不适合在土木工程这种过FBG而不受影响，而中心波长为的特定波长收稿日期：2014—09—10基金项目：江苏省高等职业院校高级访问工程师计划资助项目(2014FG027)作者简介：郭宗莲(1973一)，女，副教授，1995年毕业于同济大学电子仪器及测量技术专业，工学学士(E—mail：gzl112@163．corn)。分布式长标距FBG传感技术在桥梁结构监测中的应用研究郭宗莲，张宇峰，陈紫妍，邵佳妮71)=一(z)(3)F／／／／／／／／_／zg／／／／／／／／／／／／~式中，M(z)为实际

7、梁弯矩分布；e(-z)为实际梁应变标距长度分布；EI为梁截面抗弯刚度；z为实际梁上传感器的位置到结构中和轴距离；q(z)为共轭梁中等效荷载分布。实际梁弯矩共轭梁等效分布荷载包覆层图1二次开发封装的长标距FBG传感器结构示意的光在光栅处被反射。中心波长和布拉格光栅周期A以及纤芯有效折射率n之间的关系为_￡]：b一2以(1)图2同支梁与冥共税梁不葸当光栅受到应变作用时，机械伸长以及弹光效根据公式(3)，可得梁上第i(i为1～)单元的应使得FBG的周期发生变化，反射光的波长也会变曲率：化；当光栅温度发生变化时，热膨胀效应和热光效应

8、一使得FBG反射的波长也发生变化_】]。FBG反射光Ki一一瓦一一亘一一qqi(4)Zi的中心波长变化量与应变变化量△e、温度变化根据公式(4)容易求出共轭梁第P、P+1单元量△T的关系为：(1≤≤一1)分界点处弯矩M：与第P+1单元中△b一(1一P)·△￡·b+(+)·△T(2)点处弯矩