光纖光柵傳感器在橋梁工程中的應用

自光纖光柵傳感器于1990 年首次埋入環氧纖維復合材料中以及1992 年首次埋入混凝土梁中以來,大量在橋梁、水壩、管線、隧道、礦廠、核存儲容器、天然氣壓力罐、建筑物以及道路等基礎結構的力學參數測量、狀態監測中得到應。其中,應用光纖光柵傳感器最多的領域之一當數橋梁結構的健康監測。1993 年, 加拿大卡爾加里的Beddington trail 大橋首先使用了光纖光柵進行應力測量并用此方法長期監測橋梁結構。該橋是一座兩跨三車道的鐵路橋, 這座橋使用了26 片預制的預應力混凝土梁, 其中6 片使用了兩種CFRP 材料, 一種是日本東京一家纜索制造有限公司生產的碳纖維復合材料筋, 簡稱為CFCC;一種是日本的Mitsubishi 化學制品公司生產的碳纖維增強導桿, 簡稱為CFLR。其他的預應力筋采用普通鋼絞線。如圖1 所示, 18 個光纖光柵傳感器被安裝在這3 種不同類型的預應力筋的各個部位上。在安裝光纖光柵傳感器的時候, 研究人員遇到了一個非常棘手的問題, 那就是如何在混凝土澆筑和振搗時不破壞

圖1光纖光柵傳感器在Beddingtontrail 大橋上的位置

傳感器和光纜。此外, 為了防止光纖受潮氣和堿性環境的腐蝕, 還必須使用特殊的套索, 這樣還可以減少縮裂與微彎作用, 這兩種作用都會影響光纖的整體性, 還會導致光信號強度的減弱。澆筑混凝土時, 必須用振搗棒不停地振搗混凝土, 使混凝土在密集的鋼筋籠中均勻分布, 同時必須合理選擇光纜的布置路線, 避免光纜在振搗過程中被損壞。光纜沿著鋼筋被引入一個接線盒內, 這個接線盒被螺栓固定在模板內側。在混凝土蒸氣養護之前, 接線盒一定要密封, 以避免光纜變脆, 這一點非常重要。如圖3 所示, 安裝在該橋中的光纖光柵傳感器不僅實現了對3 種預應力筋性能的監測和比較, 對混凝土的狀態和性能的長期評估,還實現了對交通中的極限荷載以及橋梁荷載歷史的監測。

加拿大Winnipeg 的Taylor 大橋是目前記錄的使用CFRP 作為預應力筋的最大跨度的橋梁[4 ] 。它的4 片梁和一部分混凝土橋板采用了這種新型材料。該橋總共有5 跨, 總長165m , 寬916m, 每跨有8 片33m 長的工字形預應力混凝土預制。該橋于1997 年10 月28 日開放通車, 是第一座智能橋。這座大橋上裝備了一系列光纖布喇格光柵應變傳感器(FOS) 和一些普通的應變儀。66 個FBG傳感器分布在橋梁中的各個位置用來測量縱向的鋼筋和預應力CFRP 筋、橫向鋼筋和CFRP 筋、CFCC 筋、混凝土板、混凝土擋土墻的應變。圖4 顯示的是粘貼在CFCC 預應力筋上的FOS33 和IC33 傳感器測得的應變和溫度隨時間變化

的曲線。從圖中可以看出, 當溫度降低時, CFCC 筋的相對應變增加, 反之亦然。表1 總結了傳感器于1998 年1 月30 日、2 月27 日、3 月27 日以及4 月17

日所在的4 個工作周記錄下的預應力筋最小相對應變。如表1 所示, 在1 月3 0 日到4 月1 7 日兩個工作

周之間, 傳感器記錄的應變不斷增加, 很顯然應變增量的一部分是由溫度增加而引起的。圖5 則顯示了在1～4 月間應變測量值和溫度測量值的對應關系。在

該橋的監測過程中, 現場解調系統和計算機從光纖光柵傳感器上獲得并存儲信息, 并通過電纜線與遙遠的中央監測站相連, 從而實現了對該橋的長期實時健康

監測。不同時段、不同溫度條件下的預應力筋

最小相對應變測量值[4 ] 表1

傳感器ID

最小相對應變με

26 - 30/ 01/ 98 23 - 27/ 02/ 98 23 - 27/ 03/ 9813 - 17/ 04/ 98

溫度( ℃)- 20 - 10 2 2

FOSl - 1150 - 950 - 480 - 220

FOS57 - 720 - 580 - 280 - 120

FOS73 - 1525 - 1400 - 1085 - 920

FOS33 - 480 - 320 - 20 140

FOS34 - 650 - 660 - 300 - 90

FOS37 - 820 - 700 - 400 - 265

圖5FOS73 記錄的應變和溫度數據(1998年1 - 4 月)

　　加拿大的Confederation 大橋是世界上跨在被冰覆蓋的海洋上的最長的橋梁, 它的跨度為1219km , 箱梁設計為中空, 以便于作為電訊設施的有用通道。該

橋部分混凝土箱梁高達14m , 一輛雙層公共汽車可以從中通過。這座大橋中安裝了一系列光纖布喇格光柵傳感器對橋梁進行了健康監測。俄勒岡哥倫比亞河谷上的Horsetail fall 橋是一座古老的橋梁, 它于1914 年建成, 原為混凝土結構, 當初的設計不能滿足現今的交通要求, 后來采用纖維增強塑料復合材料對橋梁進

行了加固, 為了監視加固后的結構情況, 把28 個光纖光柵傳感器安裝在兩片復合材料加固的混凝土梁上, 從1998 年開始至今, 每個月用便攜式光譜儀測量一次數據。佛蒙特大學的Fuhr 和Huston 領導的研究小組用光纖光柵傳感器遠距離監測沃特伯里佛蒙特光纖光柵傳感器在橋梁工程中的應用與研究現狀

3 　存在的問題及對策

311　應變與溫度交叉敏感問題

光纖光柵的中心波長不僅與加在光纖上的應變有關, 而且還受溫度的影響, 二者引起的波長變化是線性的。當溫度在- 20～60 ℃范圍變化時, 光柵中心反射波長變化約1nm , 嚴重影響了其在應變測量方面的應用。為了克服這種交叉敏感效應, 人們提出了一些解決方案。其中大部分方案是采用兩個或兩個以上的光纖光柵組合來克服交叉敏感問題[8～9 ] , 也有方案采用光纖光柵FOP腔來實現溫度與應變的同時測量, 還有其它的一些方案, 如利用負溫度膨脹系數材料, 對光纖光柵進行溫度補償封裝來解決光柵的溫度漂移問題。這些方案有的需要兩個解調光源, 增大了系統的復雜性, 也增大了成本。有的方案則失去了光纖光柵傳感器所特有的波長編碼特性的優點。因而到目前為止還沒有很好的、實用的方案可以解決這一問題, 還需要進一步的研究。

312　光纖光柵傳感器的安裝問題

光纖光柵傳感器在土木工程結構中的安裝也是一個值得進一步研究的問題。在土木工程中, 其主要的結構形式有鋼筋混凝土結構和鋼結構等。在對鋼結構的監測中, 一種方法是將光纖光柵直接粘貼在結構的表面來感受結構物的應變變化, 這種方法的關鍵在于選擇性能優良的粘結劑, 以確保傳感器不會從基體材料上脫落, 并且要保證兩者之間良好的應變傳遞。另一種方法是將光纖光柵附著在一根中心金屬傳感棒上, 傳感棒固定在建筑物上進行測量。在這種方法中, 光纖光柵是通過傳遞物感應應變, 而不是直接固定在結構表面。對于混凝土結構的監測, 除了可以用上述兩種安裝方法之外, 還可以在施工過程中將光纖光柵直接埋入到混凝土結構當中。對于這一安裝方法人們提出了很多的埋設技術, 這些技術的共同目的都是想辦法盡量避免光纖光柵在埋入的過程中受到

312　光纖光柵傳感器的安裝問題

光纖光柵傳感器在土木工程結構中的安裝也是一個值得進一步研究的問題。在土木工程中, 其主要的結構形式有鋼筋混凝土結構和鋼結構等。在對鋼結構的監測中, 一種方法是將光纖光柵直接粘貼在結構的表面來感受結構物的應變變化, 這種方法的關鍵在于選擇性能優良的粘結劑, 以確保傳感器不會從基體材料上脫落, 并且要保證兩者之間良好的應變傳遞。另一種方法是將光纖光柵附著在一根中心金屬傳感棒上, 傳感棒固定在建筑物上進行測量。在這種方法中, 光纖光柵是通過傳遞物感應應變, 而不是直接固定在結構表面。對于混凝土結構的監測, 除了可以用上述兩種安裝方法之外, 還可以在施工過程中將光纖光柵直接埋入到混凝土結構當中。對于這一安裝方法人們提出了很多的埋設技術, 這些技術的共同目的都是想辦法盡量避免光纖光柵在埋入的過程中受到

4.　國外應用概況美國在80年代中后期就開始在多座橋梁中布設光纖傳感器,用來驗證設計假定、監視施工質量和服役安全狀態。美國佛蒙特(Vermont)大學自20世紀90年代初已在光纖傳感器的智能化鋼筋混凝土喇格光柵傳感器等幾種結構健康診斷以及振動監測方面進行了一系列實用性探索。1989年在一座橫跨威努斯基(Winooski)河的高速公路橋橋面上埋置了光纖傳感器,對橋面在氣錘沖擊、卡車行駛時的振動情況進行了監測,同時與采用傳統傳感器的監測結果相比較,兩者吻合較好。1992年,Fuhr和Huston等人在佛蒙特大學附近的一座鐵路橋中埋入和粘貼了單模光纖以及部分光纖束和光纜,以檢測鐵路橋在火車經過時的振動情況,從而根據收集到的振動信息來確定所通過列車的類型,達到控制火車流量的目的。1995年,Fuhr和Huston等人還利用基于鐵銹測量的光纖腐蝕傳感技術在橋梁結構的鋼筋上安裝了光纖腐蝕傳感器,以檢測鋼筋的銹蝕情況。1993年,在加拿大卡爾加里建了一座名為貝丁頓特雷爾的兩跨公路橋,首次采用了碳纖維復合材料替代混凝土中的鋼筋,以解決鋼筋的易腐蝕問題,并在橋梁的26根梁中,有5根埋設了光纖布喇格光柵傳感器,用來監測使用過程中碳纖維復合材料代替鋼筋的效果及橋梁的內部應變狀態。位于加拿大馬尼托巴,橫跨在溫尼伯西邊阿西尼博因河上的泰勒大橋上安裝了由加拿大電-光設備公司和多倫多大學光纖傳感器技術實驗室人員研制的光纖傳感器及其監測系統,用來測量橫梁的應變、荷載和溫度并長期監測這些新材料的老化過程。1998年加拿大的圣埃梅利、德黑蘭、若夫爾等大橋采用了埋入式、點焊式光纖傳感器進行測量;1999年加拿大的惠靈頓大橋采用了粘貼式光纖傳感器進行測量。位于德國柏林的馬林費爾德大橋是一個兩跨、雙T形預應力梁橋,它首次實現了對橋梁結構的完全監控。在這座橋中,除了把傳感器與預應力筋結合在一起之外,還把一個完整系列的光纖傳感器直接埋入混凝土中。在1989年11月,用250塊混凝土(每塊板重10kN)的荷載對該橋進行荷載試驗,埋入橋中的光纖傳感器很好地記錄下了橋梁在試驗時的動力行為。1992年,Woff等人在德國萊沃庫森的希斯貝格街道橋上,將光纖埋入收縮量很小的合成樹脂砂漿中,組成預應力筋,每根預應力筋中安裝兩只光纖傳感器,整座橋使用了27根光纖預應力筋,用于檢測橋面的內部損傷情況,另外在橋面的上下面也各裝了4只光纖傳感器來監測裂縫,從而實現了對大橋的長期監測。1994年,德國結構維護及現代化研究所(IEMB)的Habel和Hufman等人在德國柏林市區一座橋的鋼筋上粘貼了光纖應變傳感器,用來測量鋼筋在車輛經過時的變形和振動。位于瑞士洛桑的韋諾日河高速公路橋是一座4跨、其混凝土橋面板由2個平行剛架支撐的高架橋。為了監測混凝土收縮的影響,特別是混凝土在剛澆筑后頭個小時收縮的影響,在其橋面板中埋入了光纖傳感器進行監測,驗證在已知靜荷載下橋梁的變形。瑞士的呂利高速公路橋(1995)是一座復合材料大橋,在這座橋的混凝土路面中安裝了11根1m長的由瑞士聯邦工學院應力實驗室開發的基于二次Michelson干涉的SOFO傳感器去監測混凝土的收縮、混凝土與剛排架的相互作用以及由預應力引起的變形。位于瑞士提契諾州的比索內公路橋則是一座有30多年歷史的老橋,由于使用時間長,混凝土損壞較嚴重,1996年對它進行了整修,除去了已壞的舊混凝土,重新澆筑了一層新混凝土。為了評估新老混凝土之間的粘著力采用了2根1.5m長的SOFO傳感器,其中1根安放在靠近新老混凝土界面的地方,另1根裝設在新混凝土的表面。3.2　國內應用概況在我國,光纖傳感器用于土木工程結構健康監測和診斷的系統研究和應用才剛剛開始,其用于橋梁結構健康監測更是只處于理論和實驗研究階段,這種現狀一方面與我國的研究機構和研究人員在該領域的研究深度有關,另一方面也與我國目前的社會經濟發展水平有關。在這一研究領域,重慶大學國家教育部光電技術及系統開放實驗室的研究人員開展了一系列的工作。他們發展了一種新穎的多模光纖模域光纖振動傳感系統,并構建了一種機敏橋面鋪裝結構。他們還和重慶公路科學研究所的工程技術人員一起,將多模光纖模域光纖振動傳感系統應用于虎門大橋橋面鋪裝結構的模型實驗中,用來監測5種橋面鋪裝結構經過幾十萬次重復加載過程中的變形、裂縫生成和擴展等情況。哈爾濱工程大學的章立濱等人將光纖傳感器膠合在橋梁模型的鋼索上,對橋梁在受載情況下鋼索的應變變化進行了實驗研究。

結　論

從20世紀70年代中期至今,光纖傳感技術經過短短20多年時間的快速發展已取得了長足的進步,測量各種參數的光纖傳感器也應運而生。其涉及的領域包括國防軍事、航天航空、土木工程、電力、能源、環保、醫學等。隨著更多穩定性好,可靠、耐久、經濟、更適合橋梁結構特點的光纖傳感器的研制成功,光纖傳感器在橋梁工程領域內將會得到更加廣泛的應用。其應用范圍將會覆蓋以下3個方面:橋梁結構的施工監測;既有橋梁結構的工作性狀監測.