光纖光柵傳感器在斜拉橋索力監(jiān)測中的應(yīng)用

覃荷瑛 林勇 姜涌 陳峰

（1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林 541004；2.中國建筑一局（集團）有限公司，北京 100161）

斜拉橋因長期裸露在自然環(huán)境中且承受動態(tài)荷載，整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷導(dǎo)致索體承載能力下降［1］。索力是評判斜拉橋承載能力是否正常的重要參數(shù)之一，采用精準的索力監(jiān)測方法測量拉索索力是目前橋梁工程研究領(lǐng)域的重點課題。我國現(xiàn)有的主要索力監(jiān)測方法有千斤頂壓力表測定法、壓力傳感器測定法、電阻應(yīng)變片測定法［2］、磁通量傳感器測定法［3］、頻率法［4］。千斤頂壓力表測定法與壓力傳感器測定法簡單易行但精度不高，且拉索安裝完成后再進行索力測量難度較大，難以進行長期監(jiān)測；電阻應(yīng)變片易發(fā)生零點漂移；磁通量傳感器易磁化拉索，易受電磁干擾而降低測量精度；因拉索索力與其振動頻率具有顯式關(guān)系，頻率法基于弦振動特性可以快速確定索力大小，但由于拉索具有一定的抗彎剛度且邊界條件比較復(fù)雜，對索的參數(shù)設(shè)置比較麻煩。

光纖光柵傳感器是一種新型智能傳感元件，憑借體積小、測量精度高、抗電磁干擾能力強、布設(shè)簡便、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢在橋梁監(jiān)測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。研究人員對光纖光柵傳感器在索力監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用進行了大量的探索。文獻［5］提出了一種用光纖光柵基座夾具測試索力的方法，結(jié)合振動頻率法，驗證了對運營中預(yù)應(yīng)力橋梁進行索力監(jiān)測的可行性；文獻［6］根據(jù)裸光纖光柵對應(yīng)變的靈敏度大于對壓力的靈敏度這一特點，提出了一種兩端夾持式的光纖光柵索力傳感器，通過測量錨頭表面應(yīng)變間接測量索力，測量效果良好；文獻［7］用碳纖維增強復(fù)合材料對光纖光柵傳感器進行封裝，并通過調(diào)整碳纖維與環(huán)氧樹脂的配合比調(diào)整傳感器的剛度，封裝效果良好，提高了索力監(jiān)測精度；文獻［8］提出了一種基于弦振動原理的光纖光柵振動傳感器，可將監(jiān)測到的振動頻率轉(zhuǎn)換為索力，成功應(yīng)用于通瓦門大橋的索力監(jiān)測；文獻［9］研制了一種新型溫度自補償光纖光柵應(yīng)變傳感器，并安裝在拉索的錨具上進行索力測量，大幅度降低了溫度的影響，達到了溫度自補償?shù)哪康摹?/p>

為解決傳感器存活率低、易脫落、監(jiān)測量程不足等問題，本文提出一種在凹槽內(nèi)嵌封裝光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）制成自感知鋼絞線的技術(shù)，并以湖南省衡陽市東洲湘江斜拉橋為工程背景，對拉索索力進行了監(jiān)測。該技術(shù)可實現(xiàn)傳感器與鋼絞線的同步變形，對其應(yīng)變進行精準監(jiān)測。通過對比分析監(jiān)測數(shù)據(jù)和理論值，驗證了采用了該技術(shù)封裝的FBG 傳感器對斜拉橋索力監(jiān)測的準確性，為光纖光柵傳感器在拉索索力監(jiān)測中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 FBG應(yīng)變傳感理論

FBG 傳感器通過外界變化參量對FBG 中心波長的調(diào)制來實現(xiàn)傳感。根據(jù)FBG 衍射原理，當一束光進入光柵時，只有某種特定波長的光被反射，其余波長的光無損穿過FBG繼續(xù)向前傳輸［10］，如圖1所示。

圖1 光纖光柵結(jié)構(gòu)及傳光原理

被反射的光波波峰處波長λ為

式中：n為光纖纖芯對自由空間中心波長的折射率；Λ為相位掩膜光柵的周期。

利用光纖光柵解調(diào)儀可測得FBG 傳感器的初始波長λ0。當FBG 傳感器感知的應(yīng)變εg發(fā)生變化時，彈光效應(yīng)會造成光柵折射率改變和周期伸縮。此時利用光纖光柵解調(diào)儀測得FBG 傳感器的中心波長λB。λB與λ0之差即為 FBG 的波長漂移量Δλ。Δλ與εg的關(guān)系為

式中：μ為泊松比；P11，P12為光彈效應(yīng)系數(shù)；Kε為 FBG應(yīng)變靈敏度。

FBG 應(yīng)變εg與監(jiān)測基體（鋼絞線）應(yīng)變εm之間由應(yīng)變傳遞率β關(guān)聯(lián)［11］，有

將式（3）代入式（2），得

式中：為FBG監(jiān)測應(yīng)變靈敏度，可通過標定確定。

監(jiān)測基體的應(yīng)變εm與索力F的關(guān)系為

式中：E，A分別為監(jiān)測基體的彈性模量、橫截面積。

將式（5）代入式（4），可得△λ和F的關(guān)系

基于上述理論，本文研制了凹槽內(nèi)嵌式自感知鋼絞線（以下簡稱自感知鋼絞線）。自感知鋼絞線在外荷載作用下產(chǎn)生應(yīng)變，傳遞給嵌入鋼絞線中心絲的FBG 傳感器，引起λB的變化。標定時，利用已知的F及Δλ，由式（6）可算得；使用時，根據(jù)標定時算得的及FBG 傳感器監(jiān)測到的Δλ，由式（6）算得F，實現(xiàn)對拉索索力的監(jiān)測。

2 自感知鋼絞線的研制與標定

2.1 研制過程

選用 1×7 標準型鋼絞線，A= 140 mm2；抗拉強度2 000 MPa；屈服荷載250 kN，經(jīng)過破斷力試驗后極限承載能力可達280 kN。選用帶寬3 dB 的FBG，反射率99.64%；光纖光柵解調(diào)儀采用Agilent86142B 光譜儀，采樣頻率為3 HZ，波長范圍為1 525～1 560 nm，波長精度為2 pm，分辨率為1 pm。

在鋼絞線的中心絲上設(shè)置深0.4 mm、寬1.0 mm的凹槽；對中心絲進行張拉，在持荷狀態(tài)下用環(huán)氧樹脂將FBG 粘貼于凹槽內(nèi)，封裝時須在每個光柵及其兩端20 mm 范圍內(nèi)均勻覆蓋環(huán)氧樹脂；待環(huán)氧樹脂達到足夠強度后卸載，制成自感知中心絲，再與外絲扭絞成自感知鋼絞線（圖2、圖3）。該工藝可解決光纖光柵易脫落、存活率低等問題，并可實現(xiàn)大量程監(jiān)測。

圖2 自感知鋼絞線實物

圖3 自感知鋼絞線橫縱截面示意

2.2 標定試驗

為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，須對自感知鋼絞線進行力學(xué)性能試驗，評判其對實際工程的適用性。

標定所需的主要設(shè)備包括穿心型千斤頂、油泵、張拉臺座、叉車、錨具。組裝設(shè)備時，將2 根橫梁穿進定位鋼板，用叉車將臺座兩端定位鋼板撐起，使其沿橫梁移動到合適長度再放下；使千斤頂貼近臺座一端的定位鋼板，并與油泵連接好；將需要標定的自感知鋼絞線穿過兩端定位鋼板和千斤頂中心并處于三孔正中心，兩端預(yù)留出一定長度的光纖來進行光纖與跳線的熔接，確保FBG 傳感器能讀取數(shù)據(jù)；用錨具對自感知鋼絞線兩端進行錨固；將熔接好的FBG 傳感器與解調(diào)儀連接，進行數(shù)據(jù)的讀取。標定現(xiàn)場見圖4。

圖4 自感知鋼絞線張拉標定現(xiàn)場

標定步驟為：

1）記錄自感知鋼絞線未經(jīng)張拉時對應(yīng)的波長，作為初始波長；

2）將自感知鋼絞線張拉至約5 kN進行預(yù)緊；

3）以28 kN 為一級進行加載，最大加載到168 kN（鋼絞線極限承載能力的60%），加載速度控制在1 000 MP/min 內(nèi)，每一級加載過程持荷5 min，記錄對應(yīng)的波長；

4）記錄完加載168 kN對應(yīng)的波長后，持荷15 min，觀察光纖光柵傳感器是否出現(xiàn)信號異常甚至失效等情況，確認無誤后，逐級卸載至0。

將步驟2—步驟4 重復(fù)操作5 次，取平均值進行標定計算。抽取12 根自感知鋼絞線分成3 組進行標定，每組4根。試驗結(jié)果及擬合曲線見圖5。

圖5 自感知鋼絞線標定曲線

由圖5 可知：各擬合曲線的線性相關(guān)系數(shù)均大于99.9%，標定數(shù)據(jù)線性良好，無遲滯現(xiàn)象；Δλ-εm直線的斜率即為FBG監(jiān)測應(yīng)變靈敏度，見表1。

表1 自感知鋼絞線FBG監(jiān)測應(yīng)變靈敏度 nm

由表1 可知，標定的在1 190～1 210 nm，變化量控制在20 nm以內(nèi)，變化非常小，說明FBG傳感器監(jiān)測穩(wěn)定性較好。一般裸FBG 傳感器極限應(yīng)變約為4.50×10-3。根據(jù)標定數(shù)據(jù)可算得F=168 kN 時自感知鋼絞線的應(yīng)變達6.15×10-3，提高了36%，且線性相關(guān)度高達99.99%，可實現(xiàn)對鋼絞線大應(yīng)變的監(jiān)測。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

東洲湘江大橋（圖6）位于湘江東洲島上游約380 m處，連接湘江西岸的雁峰區(qū)和東岸的珠暉區(qū)。主橋長974 m，為單索面雙排索三塔四跨矮塔斜拉橋。3 個主墩（10#，11#，12#）中，11#墩為塔梁墩固結(jié)；10#和12#墩設(shè)支座，塔梁固結(jié)。3個索塔為獨柱式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。斜拉索為單根可換式矮塔斜拉橋拉索，是我國首次嘗試以高強度（2 000 MPa）鋼絞線作為斜拉索的大橋。

圖6 東洲湘江大橋

每個索塔穿有16對索（自下而上編號依次為S01—S16），全部采用高強度單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線，自感知鋼絞線穿入其中，如圖7所示。

圖7 斜拉索橫截面示意

施工時，斜拉索穿過主塔索鞍，兩端張拉。由于施工階段須對全橋96根斜拉索兩端索力進行監(jiān)測，每根索兩端各有1個FBG傳感器，安裝位置見圖8。

圖8 FBG傳感器安裝位置

3.2 監(jiān)測分析

該工程斜拉索自2018年4月開始張拉，于2018年12 月張拉完畢?？紤]到橋體監(jiān)測周期長，拉索數(shù)目較多且監(jiān)測數(shù)據(jù)量龐大，選取上文標定的12根自感知鋼絞線所在拉索進行分析。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ組自感知鋼絞線分別安裝在 12#塔 S14 索（12-S14CG）、11#塔 S13 索（11-S13CG）、10#塔S15 索（10-S15CG）上，每組1—4 號的安裝位置分別為索塔東側(cè)上游、東側(cè)下游、西側(cè)上游、西側(cè)下游，代號依次為EU，ED，WU，WD。這部分拉索于2018 年10 月底張拉完成，故選取2018 年11 月至2019年1月的索力監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，見圖9。

圖9 自感知鋼絞線索力監(jiān)測曲線

由圖9可知，監(jiān)測周期內(nèi)各測點索力差值（索力最大值和最小值之差）最小為2.2 kN，最大為8.3 kN，索力整體變化不大。

隨機選取某2 天的索力監(jiān)測值，與索力理論值進行對比并計算其誤差比，見表2—表4。其中，索力理論值根據(jù)邁達斯軟件計算得到；誤差比=（索力監(jiān)測值-索力理論值）/索力理論值×100%。

從表2—表4可知：索力監(jiān)測值與索力理論值最大誤差比僅為2.80%，小于JTG/T D65-01—2007《公路斜拉橋設(shè)計細則》規(guī)定的3.00%，說明FBG 傳感器監(jiān)測結(jié)果具有良好的精確性；對于同一根索，測量溫差大于10 ℃時，其索力差值較小，最大僅3 kN，說明在正常環(huán)境溫度范圍內(nèi)FBG傳感器具有良好的可靠性。

表2 12-S14CG索力監(jiān)測值與索力理論值對比

表3 11-S13CG索力監(jiān)測值與索力理論值對比

表4 10-S15CG索力監(jiān)測值與索力理論值對比

4 結(jié)論

通過在鋼絞線中心絲上設(shè)置凹槽嵌入光纖布拉格光柵（FBG）傳感器，研制了凹槽內(nèi)嵌式自感知鋼絞線，應(yīng)用于衡陽東洲湘江大橋斜拉索工程，對拉索索力進行監(jiān)測并對某監(jiān)測周期內(nèi)的索力監(jiān)測值進行分析。得出結(jié)論如下：

1）該FBG傳感器量程大，可以測量0～168 kN的索力，高達鋼絞線極限承載力的65%，大于橋梁索力的正常范圍，且線性相關(guān)達99.99%以上；靈敏度的變化非常小，在20 nm 以內(nèi)，監(jiān)測穩(wěn)定性良好；測得的鋼絞線應(yīng)變達6.15×10-3，比裸FBG 傳感器提高了36%，有效解決了拉索服役全壽命過程監(jiān)測困難的問題。

2）該FBG 傳感器實時監(jiān)測下，東洲湘江大橋斜拉索在監(jiān)測周期內(nèi)索力變化不大，單根索的索力差值最大為8.7 kN，在允許誤差范圍內(nèi)；隨機抽取某2天索力監(jiān)測值與索力理論值進行對比，最大誤差比為2.80%，小于設(shè)計要求的3.00%；測量溫差大于10 ℃時單根索的索力差值較小，最大僅3 kN。該封裝方式下的FBG傳感器可以精準檢測索力。