基于光纖光柵壓力傳感器的橋梁斜拉索索力自校準監(jiān)測技術

基金項目：

廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“土坯建筑群加固修復技術及工藝的研究——以廣西桂林潛經(jīng)村為例”（編號：2021KY0990）

作者簡介：

張瑞友（1986—），講師，主要從事建筑施工管理，結構加固研究及建筑類專業(yè)職業(yè)教育教學教改等工作。

摘要：為實現(xiàn)橋梁斜拉索索力的長期、準確監(jiān)測，文章提出了一種基于光纖光柵壓力傳感器的索力自校準監(jiān)測技術。該技術在壓力傳感器實時監(jiān)測斜拉索索力的同時，還對斜拉索的振動行為進行實時監(jiān)測，根據(jù)后者的數(shù)據(jù)，按照頻率法再次計算斜拉索的索力，對傳感器監(jiān)測值進行復核，以達到斜拉索索力自校準監(jiān)測的目的。實例橋梁監(jiān)測效果表明，這兩種方法均可準確地獲得斜拉索索力，兩者的結果相對誤差≤3.47%，且相對于橋梁第三期壓重布置完成后各斜拉索理論索力值，壓力傳感器測試法和振動頻率測試法計算出的平均索力值誤差均≤0.83%。

關鍵詞：光纖光柵；壓力傳感器；頻率法；索力自校準

中圖分類號：U448.27文獻標識碼：A 28 094 4

0 引言

斜拉橋因其卓越的跨越能力而成為主流的橋梁結構形式之一，而斜拉索是斜拉橋的關鍵受力構件。斜拉索索力的絕對量、變化量以及整體分布情況會直接影響橋梁結構的內力分布以及橋面幾何線形，是評價橋梁施工質量和運營期間橋梁健康狀態(tài)的核心指標，因此對斜拉橋拉索索力進行長期準確監(jiān)測是十分必要的［1］。

較常用的獲得斜拉索索力的方法主要有千斤頂油壓表讀數(shù)法、壓力傳感器測試法、磁通量傳感器測試法［2-4］、內嵌光纖光柵應變傳感器測試法［5］、振動頻率測試法［6］等。其中，振動頻率測試法具有簡單、便捷、測試設備可重復使用等優(yōu)點而被廣泛應用［7］，但單純地使用該類傳感器又容易受到索體計算長度，彎曲剛度等因素影響精度。光纖光柵因其具備體積小、重量輕、抗干擾能力強、易于集成、耐腐蝕等優(yōu)點而在結構健康監(jiān)測領域被廣泛應用［8］?；诠饫w光柵的監(jiān)測原理開發(fā)了多種功能的傳感器，其中就包括了壓力傳感器［9］。Li等［10］提出了一種可更換光纖光柵的環(huán)形壓力傳感器，并通過理論和試驗驗證了此傳感器用于索力監(jiān)測和溫度補償?shù)目尚行耘c有效性。然而在斜拉橋長期服役的過程中，受到各種環(huán)境因素的影響，光纖光柵傳感器的監(jiān)測結果會不可避免地存在誤差，如果僅采用單一方法來監(jiān)測索力，要證明其監(jiān)測結果的有效性存在一定的困難。

為了能夠在斜拉橋長期的服役過程中準確監(jiān)測斜拉索索力，本文設計了一種光纖光柵壓力傳感器，該壓力傳感器在實時監(jiān)測拉索索力的同時，還可以實時記錄斜拉索的振動行為，然后利用頻率法再次計算基于該壓力傳感器采集到的振動數(shù)據(jù)從而得到復核索力，對比兩者的結果，以達到斜拉索索力測量自校準的目的。本文介紹了光纖光柵壓力傳感器的設計方案和監(jiān)測技術原理，并在南洞庭勝天大橋的多根斜拉索上測試了基于光纖光柵壓力傳感器的斜拉索索力自校準的監(jiān)測效果。

1 索力自校準監(jiān)測原理

1.1 光纖光柵壓力傳感器監(jiān)測原理

光纖光柵對外界環(huán)境變化的響應，表現(xiàn)在其中心波長的漂移，根據(jù)光纖光柵模耦合理論，其中心波長可表示如下：

光纖光柵壓力傳感器監(jiān)測索力的原理是將光纖光柵耦合在圓環(huán)形彈性材料中，封裝后制成穿心式壓力傳感器。該傳感器安裝在斜拉索錨具和索孔墊板之間，斜拉索受拉力作用時，圓環(huán)形彈性材料會受到來自斜拉索錨具和索孔墊板的壓力作用，并產(chǎn)生變形，光柵在耦合作用下會與圓環(huán)形彈性材料發(fā)生協(xié)同變形，從而導致光柵中心波長漂移。監(jiān)測該光柵中心波長漂移量，并對該數(shù)據(jù)進行處理計算即可獲得斜拉索的拉力。

1.2 基于光纖光柵壓力傳感器的索力自校準監(jiān)測原理

斜拉索振動的時候，索體表面材料的振動可分解為多個不同頻率和幅值的正弦信號，取其中任意一個進行分析，如圖1所示。

可知彈性桿應變變化頻率與微元振動頻率相等，所以求出壓力傳感器內部的圓環(huán)形彈性材料的應變變化頻率，即等于斜拉索振動頻率。

因此，通過光纖光柵壓力傳感器測得當前索力，再基于該傳感器得到的斜拉索振動頻率計算得到復核索力，將二者進行對比實現(xiàn)索力自校準的監(jiān)測技術，具有切實的可行性。

2 傳感器設計

如圖3所示，光纖光柵壓力傳感器內的環(huán)形彈性材料為整體切割制作形成，外殼則以螺釘固定的方式與圓環(huán)組合，材質均為40CrNiMoA。將光柵沿圓環(huán)所受壓力方向粘貼在圓環(huán)的4條四等分線上，形成具有4個壓力測點的壓力傳感器。

在壓力傳感器被應用到斜拉橋上之前，采用A、B、C三個傳感器進行了標定試驗，標定結果如下頁表1所示。

表1中，各壓力傳感器上各光纖光柵的擬合方程均有接近100%的擬合度，且各光纖光柵的非線性誤差均≤3.6%，說明該類型傳感器可滿足工程要求。實際的初始中心波長值與擬合的初始中心波長值之間有誤差，但此誤差在可接受范圍之內。在后續(xù)計算中，將直接把測得的各光纖光柵中心波長值帶入回歸方程，求得壓力傳感器受到的壓力，即斜拉索的索力。

3 工程應用

3.1 工程實況

南洞庭勝天大橋平面及效果圖如圖4所示，其坐落于我國湖南省，是一座雙塔雙索面半漂浮鋼箱梁斜拉橋。斜拉索面呈空間扇形分布，每個索塔兩側布置17對抗拉標準強度為1 770 MPa的平行鋼絲斜拉索。上述3個傳感器分別安裝在YB3上游、YB7上游、YB11上游，橋梁第三期壓重布置完成后理論索力值分別為1 260 kN、1 701 kN、1 949 kN。

3.2 索力監(jiān)測及自校準

當斜拉橋的斜拉索張拉施工完成后，受錨孔墊板和斜拉索錨具的共同作用，光纖光柵壓力傳感器會受到與斜拉索索力大小相等的壓力，將各光纖光柵的中心波長的變化代入標定試驗獲得的回歸方程中可求出壓力值，即索力值。

斜拉索的振動帶動光纖光柵壓力傳感器也產(chǎn)生相應的振動響應，用采樣頻率為100 Hz的光纖光柵解調儀記錄對應的振動時程數(shù)據(jù)，分析其固有頻率，最后算出索力值，對比以上兩種方法獲得的索力值，可實現(xiàn)索力監(jiān)測的自校準。

在橋梁完成第三期壓重布置后，采集各光纖光柵的振動時程數(shù)據(jù)，時間持續(xù)30 s。由于受到光柵粘貼工藝、分布位置等因素的影響導致不同的光纖光柵對同樣的振動的敏感程度不同。對同樣的振動，4號光柵的振幅普遍小于其他光柵，但是不影響固有頻率的計算，依據(jù)4號光柵監(jiān)測到的數(shù)據(jù)繪制的頻域圖依然有3個比較明顯的波峰。通過壓力傳感器測試法和振動頻率測試法計算的斜拉索索力如表2所示。

從表2可知，同一個傳感器內4個光纖光柵的波長變化量基本一致，說明壓力傳感器沒有偏心受力，即監(jiān)測到的索力值是有效的；同一個傳感器4個光纖光柵監(jiān)測到的斜拉索振動基頻也基本一致，說明4個光纖光柵均可充分感知振動，并揭示斜拉索的振動規(guī)律。兩種方法計算得到的索力值誤差≤3.47%。

基于壓力傳感器測試法和振動頻率測試法計算出的平均索力值與橋梁第三期壓重布置完成后各斜拉索理論索力值的對比如表3所示。表3的數(shù)據(jù)顯示，相對于橋梁第三期壓重布置完成后各斜拉索理論索力值，壓力傳感器測試法和振動頻率測試法計算出的索力值誤差均≤0.83%。

在斜拉橋運營過程中，可采用兩種方法同時監(jiān)測斜拉索索力。如果通過兩種方法得出的索力值相差不大，則可認為該索力值為斜拉索的實際索力值，即斜拉索索力值的自校準。如果隨著時間的推移，通過其中一種測試方法得到的索力持續(xù)保持穩(wěn)定，而通過另一種測試方法得到的索力值出現(xiàn)較大偏差，則用前者的結果修正后者的結果，繼續(xù)實現(xiàn)斜拉索索力值的自校準。如果隨著時間的推移，通過兩種方法得出的索力值均有較大偏差，則說明斜拉索本身出現(xiàn)問題。

4 結語

本文介紹了基于光纖光柵壓力傳感器的索力自校準監(jiān)測技術原理，并在南洞庭勝天大橋的多根斜拉索上使用了該技術并取得了良好的成果。主要得出以下結論：

（1）將光纖光柵耦合到圓環(huán)彈性材料中，可實現(xiàn)壓應變的準確監(jiān)測；光纖光柵壓力傳感器中各光纖光柵中心波長值與傳感器所受壓力值之間存在良好的線性關系。

（2）光纖光柵壓力傳感器記錄自身所受壓力的同時能夠記錄拉索的振動時程數(shù)據(jù)，根據(jù)各光纖光柵中心波長時程數(shù)據(jù)繪制的頻域圖，通過處理計算得到索力，二者計算出的索力值誤差≤3.47%，證明該方法通過數(shù)據(jù)復核的方式可實現(xiàn)自校準。

（3）相對于橋梁第三期壓重布置完成后各斜拉索理論索力值，壓力傳感器測試法和振動頻率測試法計算出的平均索力值誤差均≤0.83%。通過3個索力值的對比可以判斷索力的真實性以及拉索的狀態(tài)。

在斜拉橋運營過程中，可以通過同一個傳感器使用兩種方法同時監(jiān)測斜拉索索力，實現(xiàn)索力自校準。

參考文獻

［1］Zhan S，Li Z，Hu J，et al. Model order identification for cable force estimation using a Markov chain Monte Carlo-based Bayesian approach［J］. Sensors，2018，18（12）：4 187.

［2］Feng H，Liu X，Wu B，et al. Temperature-insensitive cable tension monitoring during the construction of a cable-stayed bridge with a custom-developed pulse elasto-magnetic instrument［J］. Structural Health Monitoring，2019，18（5-6）：1 982-1 994.

［3］Cappello C，Zonta D，Ait Laasri H，et al. Calibration of elasto-magnetic sensors on in-service cable-stayed bridges for stress monitoring［J］. Sensors，2018，18（2）：466.

［4］Ru Z，Yuanfeng D，Yang Z. Temperature Compensation of Elasto-Magneto-Electric （EME） Sensors in Cable Force Monitoring Using BP Neural Network ［J］. Sensors，2018，18（7）：2 176.

［5］Zheng R，Liu L，Zhao X，et al. Investigation of measurability and reliability of adhesive-bonded built-in fiber Bragg grating sensors on steel wire for bridge cable force monitoring［J］. Measurement，2018（129）：349-357.

［6］Wang L，Zhang X，Huang S，et al. Measured frequency for the estimation of cable force by vibration method［J］. Journal of Engineering Mechanics，2015，141（2）：06014020.

［7］Ma L. A highly precise frequency-based method for estimating the tension of an inclined cable with unknown boundary conditions［J］. Journal of Sound and Vibration，2017（409）：65-80.

［8］Heng Wu，Yong-Xing Guo，Li Xiong，et al. Optical fiber-based sensing，measuring，and implementation methods for slope deformation monitoring：A review［J］. IEEE Sensors Journal，2019，19（8）：2 786-2 800.

［9］Zhang L，Lin H，Du C，et al. Performance investigation on pressure sensing from fiber Bragg grating loop ring-down cavity［J］. Optics Communications，2020（469）：125759.

［10］Li X X，Ren W X，Bi K M. FBG force-testing ring for bridge cable force monitoring and temperature compensation［J］. Sensors and Actuators A：Physical，2015（223）：105-113.

［11］Wang H，Dai J G. Strain transfer analysis of fiber Bragg grating sensor assembled composite structures subjected to thermal loading［J］. Composites Part B：Engineering，2019（162）：303-313.