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。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Beddington trail 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。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, 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1 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1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 长的工字形预应力混凝土预制。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 0 日到4 月1 7 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με

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

温度( ℃)- 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

图5FOS73 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Horsetail fall 桥是一座古老的桥梁, 它于1914 年建成, 原为混凝土结构, 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

3 　存在的问题及对策

311　应变与温度交叉敏感问题

光纤光栅的中心波长不仅与加在光纤上的应变有关, 而且还受温度的影响, 二者引起的波长变化是线性的。当温度在- 20～60 ℃范围变化时, 光栅中心反射波长变化约1nm , 严重影响了其在应变测量方面的应用。为了克服这种交叉敏感效应, 人们提出了一些解决方案。其中大部分方案是采用两个或两个以上的光纤光栅组合来克服交叉敏感问题[8～9 ] , 也有方案采用光纤光栅FOP腔来实现温度与应变的同时测量, 还有其它的一些方案, 如利用负温度膨胀系数材料, 对光纤光栅进行温度补偿封装来解决光栅的温度漂移问题。这些方案有的需要两个解调光源, 增大了系统的复杂性, 也增大了成本。有的方案则失去了光纤光栅传感器所特有的波长编码特性的优点。因而到目前为止还没有很好的、实用的方案可以解决这一问题, 还需要进一步的研究。

312　光纤光栅传感器的安装问题

光纤光栅传感器在土木工程结构中的安装也是一个值得进一步研究的问题。在土木工程中, 其主要的结构形式有钢筋混凝土结构和钢结构等。在对钢结构的监测中, 一种方法是将光纤光栅直接粘贴在结构的表面来感受结构物的应变变化, 这种方法的关键在于选择性能优良的粘结剂, 以确保传感器不会从基体材料上脱落, 并且要保证两者之间良好的应变传递。另一种方法是将光纤光栅附着在一根中心金属传感棒上, 传感棒固定在建筑物上进行测量。在这种方法中, 光纤光栅是通过传递物感应应变, 而不是直接固定在结构表面。对于混凝土结构的监测, 除了可以用上述两种安装方法之外, 还可以在施工过程中将光纤光栅直接埋入到混凝土结构当中。对于这一安装方法人们提出了很多的埋设技术, 这些技术的共同目的都是想办法尽量避免光纤光栅在埋入的过程中受到

312　光纤光栅传感器的安装问题

光纤光栅传感器在土木工程结构中的安装也是一个值得进一步研究的问题。在土木工程中, 其主要的结构形式有钢筋混凝土结构和钢结构等。在对钢结构的监测中, 一种方法是将光纤光栅直接粘贴在结构的表面来感受结构物的应变变化, 这种方法的关键在于选择性能优良的粘结剂, 以确保传感器不会从基体材料上脱落, 并且要保证两者之间良好的应变传递。另一种方法是将光纤光栅附着在一根中心金属传感棒上, 传感棒固定在建筑物上进行测量。在这种方法中, 光纤光栅是通过传递物感应应变, 而不是直接固定在结构表面。对于混凝土结构的监测, 除了可以用上述两种安装方法之外, 还可以在施工过程中将光纤光栅直接埋入到混凝土结构当中。对于这一安装方法人们提出了很多的埋设技术, 这些技术的共同目的都是想办法尽量避免光纤光栅在埋入的过程中受到

4.　国外应用概况美国在80年代中后期就开始在多座桥梁中布设光纤传感器,用来验证设计假定、监视施工质量和服役安全状态。美国佛蒙特(Vermont)大学自20世纪90年代初已在光纤传感器的智能化钢筋混凝土喇格光栅传感器等几种结构健康诊断以及振动监测方面进行了一系列实用性探索。1989年在一座横跨威努斯基(Winooski)河的高速公路桥桥面上埋置了光纤传感器,对桥面在气锤冲击、卡车行驶时的振动情况进行了监测,同时与采用传统传感器的监测结果相比较,两者吻合较好。1992年,Fuhr和Huston等人在佛蒙特大学附近的一座铁路桥中埋入和粘贴了单模光纤以及部分光纤束和光缆,以检测铁路桥在火车经过时的振动情况,从而根据收集到的振动信息来确定所通过列车的类型,达到控制火车流量的目的。1995年,Fuhr和Huston等人还利用基于铁锈测量的光纤腐蚀传感技术在桥梁结构的钢筋上安装了光纤腐蚀传感器,以检测钢筋的锈蚀情况。1993年,在加拿大卡尔加里建了一座名为贝丁顿特雷尔的两跨公路桥,首次采用了碳纤维复合材料替代混凝土中的钢筋,以解决钢筋的易腐蚀问题,并在桥梁的26根梁中,有5根埋设了光纤布喇格光栅传感器,用来监测使用过程中碳纤维复合材料代替钢筋的效果及桥梁的内部应变状态。位于加拿大马尼托巴,横跨在温尼伯西边阿西尼博因河上的泰勒大桥上安装了由加拿大电-光设备公司和多伦多大学光纤传感器技术实验室人员研制的光纤传感器及其监测系统,用来测量横梁的应变、荷载和温度并长期监测这些新材料的老化过程。1998年加拿大的圣埃梅利、德黑兰、若夫尔等大桥采用了埋入式、点焊式光纤传感器进行测量;1999年加拿大的惠灵顿大桥采用了粘贴式光纤传感器进行测量。位于德国柏林的马林费尔德大桥是一个两跨、双T形预应力梁桥,它首次实现了对桥梁结构的完全监控。在这座桥中,除了把传感器与预应力筋结合在一起之外,还把一个完整系列的光纤传感器直接埋入混凝土中。在1989年11月,用250块混凝土(每块板重10kN)的荷载对该桥进行荷载试验,埋入桥中的光纤传感器很好地记录下了桥梁在试验时的动力行为。1992年,Woff等人在德国莱沃库森的希斯贝格街道桥上,将光纤埋入收缩量很小的合成树脂砂浆中,组成预应力筋,每根预应力筋中安装两只光纤传感器,整座桥使用了27根光纤预应力筋,用于检测桥面的内部损伤情况,另外在桥面的上下面也各装了4只光纤传感器来监测裂缝,从而实现了对大桥的长期监测。1994年,德国结构维护及现代化研究所(IEMB)的Habel和Hufman等人在德国柏林市区一座桥的钢筋上粘贴了光纤应变传感器,用来测量钢筋在车辆经过时的变形和振动。位于瑞士洛桑的韦诺日河高速公路桥是一座4跨、其混凝土桥面板由2个平行刚架支撑的高架桥。为了监测混凝土收缩的影响,特别是混凝土在刚浇筑后头个小时收缩的影响,在其桥面板中埋入了光纤传感器进行监测,验证在已知静荷载下桥梁的变形。瑞士的吕利高速公路桥(1995)是一座复合材料大桥,在这座桥的混凝土路面中安装了11根1m长的由瑞士联邦工学院应力实验室开发的基于二次Michelson干涉的SOFO传感器去监测混凝土的收缩、混凝土与刚排架的相互作用以及由预应力引起的变形。位于瑞士提契诺州的比索内公路桥则是一座有30多年历史的老桥,由于使用时间长,混凝土损坏较严重,1996年对它进行了整修,除去了已坏的旧混凝土,重新浇筑了一层新混凝土。为了评估新老混凝土之间的粘着力采用了2根1.5m长的SOFO传感器,其中1根安放在靠近新老混凝土界面的地方,另1根装设在新混凝土的表面。3.2　国内应用概况在我国,光纤传感器用于土木工程结构健康监测和诊断的系统研究和应用才刚刚开始,其用于桥梁结构健康监测更是只处于理论和实验研究阶段,这种现状一方面与我国的研究机构和研究人员在该领域的研究深度有关,另一方面也与我国目前的社会经济发展水平有关。在这一研究领域,重庆大学国家教育部光电技术及系统开放实验室的研究人员开展了一系列的工作。他们发展了一种新颖的多模光纤模域光纤振动传感系统,并构建了一种机敏桥面铺装结构。他们还和重庆公路科学研究所的工程技术人员一起,将多模光纤模域光纤振动传感系统应用于虎门大桥桥面铺装结构的模型实验中,用来监测5种桥面铺装结构经过几十万次重复加载过程中的变形、裂缝生成和扩展等情况。哈尔滨工程大学的章立滨等人将光纤传感器胶合在桥梁模型的钢索上,对桥梁在受载情况下钢索的应变变化进行了实验研究。

结　论

从20世纪70年代中期至今,光纤传感技术经过短短20多年时间的快速发展已取得了长足的进步,测量各种参数的光纤传感器也应运而生。其涉及的领域包括国防军事、航天航空、土木工程、电力、能源、环保、医学等。随着更多稳定性好,可靠、耐久、经济、更适合桥梁结构特点的光纤传感器的研制成功,光纤传感器在桥梁工程领域内将会得到更加广泛的应用。其应用范围将会覆盖以下3个方面:桥梁结构的施工监测;既有桥梁结构的工作性状监测.