光纖光柵傳感器在橋梁工程中的應(yīng)用

1、2 光纖光柵傳感器在橋梁工程中的應(yīng)用自光纖光柵傳感器于1990 年首次埋入環(huán)氧纖維復(fù)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(chǔ)容器、天然氣壓力罐、建筑物以及道路等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)測量、狀態(tài)監(jiān)測中得到應(yīng)用。其中,應(yīng)用光纖光柵傳感器最多的領(lǐng)域之一當(dāng)數(shù)橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)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(jìn)行應(yīng)力測量并用此方法長期監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)3 。該橋是一座兩跨三車道的鐵路橋, 這座橋使用了26 片預(yù)制的預(yù)應(yīng)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(chǎn)

2、的碳纖維復(fù)合材料筋, 簡稱為CFCC;一種是日本的Mitsubishi 化學(xué)制品公司生產(chǎn)的碳纖維增強(qiáng)導(dǎo)桿, 簡稱為CFLR。其他的預(yù)應(yīng)力筋采用普通鋼絞線。如圖2 所示, 18 個(gè)光纖光柵傳感器被安裝在這3 種不同類型的預(yù)應(yīng)力筋的各個(gè)部位上。在安裝光纖光柵傳感器的時(shí)候, 研究人員遇到了一個(gè)非常棘手的問題, 那就是如何在混凝土澆筑和振搗時(shí)不破壞圖2 光纖光柵傳感器在Beddington trail 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(huán)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(huì)影響光纖的整體性, 還會(huì)導(dǎo)致光信號強(qiáng)度的減弱。澆筑混凝土?xí)r,

3、 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(shí)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(gè)接線盒內(nèi), 這個(gè)接線盒被螺栓固定在模板內(nèi)側(cè)。在混凝土蒸氣養(yǎng)護(hù)之前, 接線盒一定要密封, 以避免光纜變脆, 這一點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了對3 種預(yù)應(yīng)力筋性能的監(jiān)測和比較, 對混凝土的狀態(tài)和性能的長期評估,還實(shí)現(xiàn)了對交通中的極限荷載以及橋梁荷載歷史的監(jiān)測。加拿大Winnipeg 的Taylor 大橋是目前記錄的使用CFRP 作為預(yù)應(yīng)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

4、。該橋總共有5 跨, 總長165m , 寬916m , 每跨有8 片33m 長的工字形預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁。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(yīng)變傳感器(FOS) 和一些普通的應(yīng)變儀。66 個(gè)FBG傳感器分布在橋梁中的各個(gè)位置用來測量縱向的鋼筋和預(yù)應(yīng)力CFRP 筋、橫向鋼筋和CFRP 筋、CFCC 筋、混凝土板、混凝土擋土墻的應(yīng)變。圖4 顯示的是粘貼在CFCC 預(yù)應(yīng)力筋上的FOS33 和IC33 傳感器測得的應(yīng)變和溫度隨時(shí)間變化的曲線。從圖中可以看出, 當(dāng)溫度降低時(shí), CFCC 筋的相對應(yīng)變增加, 反之亦然。表1 總結(jié)了傳感器于19

5、98 年1 月30 日、2 月27 日、3 月27 日以及4 月17日所在的4 個(gè)工作周記錄下的預(yù)應(yīng)力筋最小相對應(yīng)變。如表1 所示, 在1 月3 0 日到4 月1 7 日兩個(gè)工作周之間, 傳感器記錄的應(yīng)變不斷增加, 很顯然應(yīng)變增量的一部分是由溫度增加而引起的。圖5 則顯示了在14 月間應(yīng)變測量值和溫度測量值的對應(yīng)關(guān)系。在該橋的監(jiān)測過程中, 現(xiàn)場解調(diào)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)從光纖光柵傳感器上獲得并存儲(chǔ)信息, 并通過電纜線與遙遠(yuǎn)的中央監(jiān)測站相連, 從而實(shí)現(xiàn)了對該橋的長期實(shí)時(shí)健康監(jiān)測。不同時(shí)段、不同溫度條件下的預(yù)應(yīng)力筋最小相對應(yīng)變測量值4 表1傳感器ID最小相對應(yīng)變26 - 30/ 01/ 98 23 - 27

6、/ 02/ 98 23 - 27/ 03/ 98 13 - 17/ 04/ 98溫度( ) - 20 - 10 2 2FOSl - 1150 - 950 - 480 - 220FOS57 - 720 - 580 - 280 - 120FOS73 - 1525 - 1400 - 1085 - 920FOS33 - 480 - 320 - 20 140FOS34 - 650 - 660 - 300 - 90FOS37 - 820 - 700 - 400 - 265圖5 FOS73 記錄的應(yīng)變和溫度數(shù)據(jù)(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

7、的最長的橋梁, 它的跨度為1219km , 箱梁設(shè)計(jì)為中空, 以便于作為電訊設(shè)施的有用通道。該橋部分混凝土箱梁高達(dá)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(jìn)行了健康監(jiān)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(jié)構(gòu), 當(dāng)初的設(shè)計(jì)不能滿足現(xiàn)今的交通要求, 后來采用纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料對橋梁進(jìn)行了加固, 為了監(jiān)視加固后的結(jié)構(gòu)情況, 把28 個(gè)光纖光柵傳感器安裝在兩片復(fù)合材料加固的混凝土梁上, 從1998 年開始至今, 每個(gè)月用便攜式光譜儀測量一次數(shù)據(jù)。佛蒙特大學(xué)的Fuhr 和Hus

8、ton 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組用光纖光柵傳感器遠(yuǎn)距離監(jiān)測沃特伯里佛蒙特光纖光柵傳感器在橋梁工程中的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀王丹生等3 存在的問題及對策311 應(yīng)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(yīng)變有關(guān), 而且還受溫度的影響, 二者引起的波長變化是線性的。當(dāng)溫度在- 2060 范圍變化時(shí), 光柵中心反射波長變化約1nm , 嚴(yán)重影響了其在應(yīng)變測量方面的應(yīng)用。為了克服這種交叉敏感效應(yīng), 人們提出了一些解決方案。其中大部分方案是采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的光纖光柵組合來克服交叉敏感問題89 , 也有方案采用光纖光柵FOP 腔來實(shí)現(xiàn)溫度與應(yīng)變的同時(shí)測量, 還有其它的一些方案, 如利用負(fù)溫度膨脹系數(shù)材料,

9、 對光纖光柵進(jìn)行溫度補(bǔ)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(gè)解調(diào)光源, 增大了系統(tǒng)的復(fù)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(yōu)點(diǎn)。因而到目前為止還沒有很好的、實(shí)用的方案可以解決這一問題, 還需要進(jìn)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(jié)構(gòu)中的安裝也是一個(gè)值得進(jìn)一步研究的問題。在土木工程中, 其主要的結(jié)構(gòu)形式有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)等。在對鋼結(jié)構(gòu)的監(jiān)測中, 一種方法是將光纖光柵直接粘貼在結(jié)構(gòu)的表面來感受結(jié)構(gòu)物的應(yīng)變變化, 這種方法的關(guān)鍵在于選擇性能優(yōu)良的粘結(jié)劑, 以確保傳感器不會(huì)從基體材料上脫落, 并且要保證兩者之間

10、良好的應(yīng)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(jìn)行測量。在這種方法中, 光纖光柵是通過傳遞物感應(yīng)應(yīng)變, 而不是直接固定在結(jié)構(gòu)表面。對于混凝土結(jié)構(gòu)的監(jiān)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(jié)構(gòu)當(dāng)中。對于這一安裝方法人們提出了很多的埋設(shè)技術(shù), 這些技術(shù)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(jié)構(gòu)中的安裝也是一個(gè)值得進(jìn)一步研究的問題。在土木工程中, 其主要的結(jié)構(gòu)形式有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)等。在對鋼結(jié)構(gòu)的監(jiān)測中, 一種方法是將光纖光柵直接粘貼在

11、結(jié)構(gòu)的表面來感受結(jié)構(gòu)物的應(yīng)變變化, 這種方法的關(guān)鍵在于選擇性能優(yōu)良的粘結(jié)劑, 以確保傳感器不會(huì)從基體材料上脫落, 并且要保證兩者之間良好的應(yīng)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(jìn)行測量。在這種方法中, 光纖光柵是通過傳遞物感應(yīng)應(yīng)變, 而不是直接固定在結(jié)構(gòu)表面。對于混凝土結(jié)構(gòu)的監(jiān)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(jié)構(gòu)當(dāng)中。對于這一安裝方法人們提出了很多的埋設(shè)技術(shù), 這些技術(shù)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(yīng)用概況美國在80年代中后期就開始在多座橋梁中布設(shè)光纖傳感器,用來驗(yàn)

12、證設(shè)計(jì)假定、監(jiān)視施工質(zhì)量和服役安全狀態(tài)。美國佛蒙特(Vermont)大學(xué)自20世紀(jì)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(jié)構(gòu)健康診斷以及振動(dòng)監(jiān)測方面進(jìn)行了一系列實(shí)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(shí)的振動(dòng)情況進(jìn)行了監(jiān)測,同時(shí)與采用傳統(tǒng)傳感器的監(jiān)測結(jié)果相比較,兩者吻合較好。1992年,Fuhr和Huston等人在佛蒙特大學(xué)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(jīng)過時(shí)的振動(dòng)情況,從而根據(jù)收集到的振動(dòng)信息來確定所通過列車的類型,達(dá)到控制火車流量的目的

13、。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(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)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(fù)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(shè)了光纖布喇格光柵傳感器,用來監(jiān)測使用過程中碳纖維復(fù)合材料代替鋼筋的效果及橋梁的內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)。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(shè)備公司和多倫多大學(xué)光纖傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室人員研制的光纖傳感器及其監(jiān)測系統(tǒng),用來測量橫梁的應(yīng)變、荷載和溫度并長期監(jiān)測這些新材

14、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(diǎn)焊式光纖傳感器進(jìn)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(jìn)行測量。位于德國柏林的馬林費(fèi)爾德大橋是一個(gè)兩跨、雙T形預(yù)應(yīng)力梁橋,它首次實(shí)現(xiàn)了對橋梁結(jié)構(gòu)的完全監(jiān)控。在這座橋中,除了把傳感器與預(yù)應(yīng)力筋結(jié)合在一起之外,還把一個(gè)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(jìn)行荷載試驗(yàn),埋入橋中的光纖傳感器很好地記錄下了橋梁在試驗(yàn)時(shí)的動(dòng)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(yù)應(yīng)力筋,

15、每根預(yù)應(yīng)力筋中安裝兩只光纖傳感器,整座橋使用了27根光纖預(yù)應(yīng)力筋,用于檢測橋面的內(nèi)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(jiān)測裂縫,從而實(shí)現(xiàn)了對大橋的長期監(jiān)測。1994年,德國結(jié)構(gòu)維護(hù)及現(xiàn)代化研究所(IEMB)的Habel和Hufman等人在德國柏林市區(qū)一座橋的鋼筋上粘貼了光纖應(yīng)變傳感器,用來測量鋼筋在車輛經(jīng)過時(shí)的變形和振動(dòng)。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(gè)平行剛架支撐的高架橋。為了監(jiān)測混凝土收縮的影響,特別是混凝土在剛澆筑后頭個(gè)小時(shí)收縮的影響,在其橋面板中埋入了光纖傳感器進(jìn)行監(jiān)測,驗(yàn)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

16、座復(fù)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(lián)邦工學(xué)院應(yīng)力實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的基于二次Michelson干涉的SOFO傳感器去監(jiān)測混凝土的收縮、混凝土與剛排架的相互作用以及由預(yù)應(yīng)力引起的變形。位于瑞士提契諾州的比索內(nèi)公路橋則是一座有30多年歷史的老橋,由于使用時(shí)間長,混凝土損壞較嚴(yán)重,1996年對它進(jìn)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(shè)在新混凝土的表面。3.2國內(nèi)應(yīng)用概況在我國,光纖傳感器用于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和診斷的系統(tǒng)研究和應(yīng)用才剛剛開始,其用于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測更是只處于理論和實(shí)驗(yàn)研究階段,這種現(xiàn)狀一方面與我國的研究機(jī)構(gòu)和研究人員在該領(lǐng)域的研究深度有關(guān),另一方面也與我國目前的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有關(guān)。在這一研究領(lǐng)域,重慶大學(xué)國家教育部光電技術(shù)及系統(tǒng)開放實(shí)驗(yàn)室的研究人員開展了一系列的工作。他們發(fā)展了一種新穎的多模光纖模域光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng),并構(gòu)建了一種機(jī)敏橋面鋪裝結(jié)構(gòu)。他們還和重慶公路科學(xué)研究所的工程技術(shù)人員一起,將多模光纖模域光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)應(yīng)用于虎門大橋橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的模型實(shí)驗(yàn)中,用來監(jiān)測5種橋面鋪裝結(jié)構(gòu)經(jīng)過幾十萬次重復(fù)加載過程中的變形、裂縫生成和