基于分布式FBG传感的混凝土连续梁桥应变与变形监测研究

摘要：应力应变与变形是桥梁结构状态评估和日常运营监测中的关键参数，本文研究了分布式长标距FBG传感器在某预应力混凝土连续梁桥应力应变与变形监测中的应用。长标距FBG传感器的传感标距为1.0m，连续梁桥的跨度为30米，传感器在梁底呈准分布式布设。研究结果表明：通过所分布的长标距FBG传感器，可以精确得到桥梁在移动荷载作用下的动静态应变分布，并根据所监测的应变分布可获得桥梁结构在交通移动荷载下的变形分布状态。

关键词：分布式传感；长标距；FBG；变形监测

中图分类号： TU37文献标识码： A

Application of Distributed long gauge FBG sensors for the Strain and Deformation Monitoring of a Continuous Concrete Bridge

Yefei Xia1, Dan Yang2, Yang Caiqian2

(1Jiangsu Huatong Engineering Testing Co.,Ltd ,Nanjing,211100

2School of International Institute for Urban Systems Engineering, Southeast University, Nanjing, 210096)

Abstract: The strain and deformation monitoring are generally important for the condition evaluation and general operation monitoring of civil engineering structures, especially for the bridges. The gauge length of the FBG sensors is 1.0m, which were packaged with basalt fiber reinforced polymer. The long-gauge FBG sensors were distributed on the bottom of one span of a continuous concrete bridge. It is shown that the strain distribution of the bridge can be well measured with the long gauge FBG sensors. According to the strain distribution, the distribution of the deformation can be obtained based on the conjugate beam method. The results shown that the FBG sensing technique can be well used for the structural monitoring of concrete bridges.

Key words: Distributed sensing; Long gauge; FBG; Health monitoring; Deformation

1 前 沿

随着当代交通及物流的快速发展，高速公路运输向密集化及大型化方向发展，车辆超载现象普遍存在，公路桥梁等承载结构经常会提前出现损伤或破坏，对桥梁正常运营条件下的安全性、耐久性等均会受到较大影响。解决这一问题的方法之一就是在结构上布置健康监测系统，在线、实时监控结构工作状态，长期监测结构损伤状况，随即可对结构的应力应变、变形以及工作状态进行估计和评价。

采用传统电阻应变片的电测法是土木工程中对结构可靠性及安全性进行应力应变检测、分析和评价的常用手段，广泛应用于各类土木工程结构。但传统的应变片在土木工程结构检测中存在诸多制约因素，主要表现在：1）土木工程结构一般体量大、分布范围广，多需要进行多点或分布式检测，而传统电阻应变片在大范围多点测量中的布线麻烦；2）传统电阻应变片是典型的“点”测量技术，而对于非均质材料的大型混凝土结构，局部应变很难准确反映结构的实际应力应变状态，通常需要一定范围的有效应变来反映结构的实际应力应变状态；3）电阻式应变片的飘逸大且耐久性较差，不适合大型工程结构的长期监测。随着近代工业技术的快速发展，土木工程领域对应力应变和变形检测技术也提出了更高和更新的要求，如需要长期监测、抗电磁干扰、动态实时测量、分布式多点监测等。因此，除了上述应变电测法外，目前发展最快的应力应变测试技术是光学测量，并逐渐成为力学测试中的一个重要分支。如，基于材料双折射效应的光弹性法、基于布里渊光时域散射法以及光纤光栅应变测试方法等。

其中，布拉格光纤光栅传感技术是国际上近年发展起来的一种新型传感技术，并在土木工程中得到较广泛的应用[1-6]。布拉格光栅用于物理量的感测，而光纤则用于感测信号的传输。作为一种先进的传感技术，光纤传感器因其具有质量轻、体积小、抗电磁干扰能力强、抗化学腐蚀等优点而受到广泛关注，并逐渐在土木工程结构健康监测中推广应用。虽然光纤布拉格光栅传感技术具有很多无法替代的优点，但在实际应用中仍存在一些难题。纤细的裸光纤光栅比较脆弱，在土木工程粗放式施工和恶劣的工况条件下使用受到一定的限制，而且一般的FBG传感器仍可视为典型的点测量传感器，所以光纤光栅传感器的有效封装保护和长标距化是将其在土木工程领域推广应用的关键。

东南大学吴智深、杨才千等人[3-5]采用纤维复合材料（FRP）对裸光纤光栅进行封装并实现其长标距化，通过张拉标定试验验证了长标距FBG传感器具有良好的测量稳定性和测量线性度，既可以对工程结构进行静态监测也可以对其进行动态监测。并可以将一组长标距FBG传感器串联起来，每个波峰代表一个特定波长的FBG传感器传感器，可以在一条光纤上实现大型工程结构的多点分布式测量。既可对大型工程结构的损伤进行定位，还可对局部损伤进行定量化监测，实现了监测过程中结构整体与局部，动态与静态信息的融合。本研究采用准分布长标距FBG传感技术研究某预应力混凝土连续梁桥的应力应变监测技术，并根据分布式应变监测结构的变形。

2 基于长标距FBG传感器的监测原理

2.1 应变监测

FBG是用紫外全息曝光法在普通光纤上形成的一种称为Bragg Grating（布拉格光栅）的纤芯折射率周期性变化光栅。如图1所示[1]，当一个宽带光源照射FBG时，一系列由FBG纤芯折射率周期调制所形成的反射面反射回来的光将相互干涉，只有满足布拉格定律的光才可以相长增强。当光栅受到应变作用时，机械伸长以及弹光效应使得光纤光栅的波长发生变化；当光栅温度发生变化时，热涨效应和热光效应也会使得光纤光栅的波长发生变化。通过检测每段布拉格光栅反射回来的光信号波长变化值，可实现对被测参数的测量。中心波长λb和布拉格光栅周期以及纤芯有效折射率n之间的关系见式（1），通过测量布拉格中心波长的变化即可测出应变和温度扰动。

(1)

图1 FBG传感原理示意图

外界温度或应力发生变化时，FBG反射光的中心波长值发生漂移，其关系为：

(2)

式中：Δλb为反射光中心波长变化量，Δε和ΔT分别为应变和温度变化量，Pε，αf，ξ为分别为光纤的有效弹光系数，热膨胀系数和热光系数。

2.2 基于分布应变的位移监测原理

结构变形一直以来都是桥梁健康监测中的重要参数，通常情况下主要通过位移计、全站仪、EDM、GPS、数字像仪等手段测得。然而这些传统位移测量方法在实际应用过程中面临着各种困难：位移计在实桥上难以安装；全站仪及EDM方法难以长期实时监测，易受大雾，雨雪等天气影响；GPS架设成本高，而且竖向监测精度不佳；数字像仪安装困难，算法复杂，工作量大且易受天气影响。此外，这些直接测量位移的方法的共同点是需要独立的监测设备，增加监测成本；测点不连续，不能实现分布式监测。因此，学者们尝试使用间接方法测量变形。吴智深、沈圣、杨才千等人[5]提出了基于分布应变测量的改进共轭梁法的结构变形监测技术，降低了应变二次积分过程中的累积误差，其精度高于二次积分法。

由材料力学知识可知，改变荷载形式及大小等效于改变梁上弯矩分布，亦即曲率分布。而根据共轭梁法原理，实际梁的曲率分布等价于共轭梁的荷载分布。通过微分关系可知，荷载分布与弯矩的关系同挠度与曲率的关系完全相同。因此，利用共轭梁的虚弯矩可得到实梁的挠度分布。假定：（1）结构满足小变形条件；（2）材料均为线弹性。简支梁模型如图2所示，注意到简支梁的共轭梁为其本身。设梁左支座坐标为0，梁截面抗弯刚度为EI，梁的中和轴高度为y，梁上任意点坐标为x，沿梁跨度方向自左向右共布置n个传感器，每个传感器标距为lm（m=1，…，n），梁长为L，结构应变以梁底受拉为正，结构变形以位移向上为正，其中。首先由各单位的平均应变求得各单元的平均曲率：

(3)

图2 简支梁与其共轭梁示意图

上角标“ ’ ”表示该参数属于共轭梁，上标“ – ”表示单元参数均值，如表示第i个单元的平均曲率。容易求出实际梁第p、p+1单元(1≤p≤n-1)分界点处变形vp与第p+1单元中点处变形vp+1/2：

(4)

(5)

当结构同时承受荷载和支座沉降时，结构变形可以分为两个部分，一部分由荷载和支座沉降共同作用下的应变变化累积产生，另一部分由支座沉降直接产生。考虑结构左右两端支座发生沉降∆l和∆r，式(4)和(5)可改进为：

(6)

(7)

注意到式(6)和(7)的系数仅与梁长L、顶部和底部传感器距离hi、单元划分总数n、待求变形点所属单元的单元号p，以及结构左右两端支座沉降∆l和∆r有关，与荷载形式与大小，截面刚度等条件无关。

3 长标距FBG传感技术及系统安装

3.1 长标距传感器及其传感性能

单个长标距FBG传感器结构如图3所示，为提高传感器的耐久性并实现其长标距化，采用了耐腐蚀性好的玄武岩纤维材料（BF）和环氧树脂进行封装，传感标距长度为1.0m，并在该传感标距内形成均匀的应变场。封装长标距FBG传感器的优势在于：①传感器的标距通常可以在5-200cm范围内自由调整，适合桥梁等大型工程结构监测用；②标距内为平均应变，降低了应力集中和局部混凝土开裂对传感器使用性能的影响，且不因混凝土结构的局部损伤而致传感器破坏；③纤维复合材料封装长标距FBG传感器具有优异的耐久性，适合在野外恶劣环境下应用，且具有长期监测的稳定性；④由于纤维封装材料与混凝土结构具有良好的粘结性能，长标距FBG传感器可在桥梁结构上进行牢固粘贴和安装。

图3 长标距FBG传感器封装结构图

为保证传感器的质量，在安装前对传感器进行了标定，其中三个长标距FBG传感器的标定结果如图4所示，裸光栅和3个封装的长标距FBG传感器的应变系数均为1.20pm/με。结果表明，所有长标距FBG传感器的应变系数在1.19-1.21 pm/με范围内变化。标定结果表明：封装材料不改变长标距FBG传感器的应变系数，同时所采用的长标距FBG传感器具有良好的测量稳定性和测量线性度。

图4 长标距FBG传感器传感性能标定

3.2 桥梁状况

为研究分布式长标距FBG传感技术在实际桥梁结构中的应用，在位于京沪高速公路上的某预应力混凝土连续混凝土梁桥上安装了长标距FBG传感器。该桥为一30m跨径、先简支后连续的部分预应力混凝土组合箱梁桥，共72孔，分12联，每联6孔，桥梁全长2168.20m。桥梁梁高约1.5m，上铺5cm厚30号防水混凝土调平层，再铺上9cm沥青混凝土。下部结构为桩柱式墩台，钻孔桩基础。图5和图6分别为该连续梁桥的全景图和横断面布置图。

3.3 长标距FBG传感器布设

部分预应力混凝土组合箱梁既是形成连续梁桥的主要构件之一，同时也是直接承受车辆荷载的作用，通过对主梁各控制截面应变进行监测，不仅能直接了解各测点处的应变状态，从而为总体评判桥梁的安全性和耐久性提供依据，而且还能通过控制点应变状态变化来发现桥梁结构状态的变化。根据结构的实际受力特点、分布式长标距FBG传感器的特点以及现场实际条件，选择第十一联第二跨左幅进行监测。以车辆行驶方向作为正向，从左向右（图上从下向上）将四根箱梁依次编号为1#、2#、3#和4#梁。长标距FBG传感器分布布设于箱梁的底部和腹板，如图6所示。共布设68个长标距FBG传感器，其中60个分布布设于桥梁的底部，在2#和3#梁底进行了全跨度范围的分布式布设，而对于1#和3#梁则在跨中5m范围内进行了分布式布设。

图6 长标距FBG传感器在连续梁桥上的分布布设示意图

将传感器分为四组，每组内的传感器熔接串联形成一个相对独立的通道。本次传感器全部采用表面粘贴的方式，先用打磨机打磨传感器粘贴区域，再用酒精进行表面清洁处理。在桥梁上画线定点后，再用AB胶固定传感器两端的锚固点，其余部分用结构胶全面粘贴，施工人员在桥梁检测车上沿桥梁纵向施工。图7为长标距FBG传感器在桥梁上安装施工过程，其中包括：划线定点、端部安装和封装。待传感器布设完毕和结构胶固化后，便可开始采集数据。本次测试在交通移动荷载作用下进行，采样频率为1kHz，连续监测四个小时，四个通道同时采集，每五分钟进行一次数据存储。

4 结果与分析

4.1 应变监测与分析

在单车道车辆荷载激励下，3#梁跨中截面底部典型的应变时程如图8所示，当车辆处于监测跨的相邻跨时，监测截面底部处于受压状态，出现负应变，与图中两个波谷相对应；当车辆处于监测跨时，监测截面底部处于受拉状态且受力较大，出现正应变，与图中一个波峰相对应，且波峰绝对值大于波谷绝对值。当车辆不处于监测跨及相邻两跨时，监测跨受力较小，传感器波长值基本没有变化，应变值接近于0。由图可知，监测数据与理论情况吻合良好。对同一时段内监测跨的1#梁至4#梁跨中截面底部应变值进行比较可发现，3#梁的响应最大，其次依次为4#梁，2#梁，1#梁,如图9所示。这是由于在测试试验过程中仅容许超车道上有车辆通过，即3#梁和4#梁上桥面板间直接承受车载作用。

图8 传感器的典型应变时程图 图9 1#梁至4#梁跨中截面底部应变时程图

对连续四个小时的测试数据进行统计发现，在绝大多数情况下，4#梁跨中截面底部响应最大；布置在梁底的传感器在有车辆通行时，负应变变化范围约为-5με～-52με，正应变变化范围约为5με～177με，该数值范围与布置在跨中的传统应变计测量的结果基本一致。对监测时间内的监测跨内出现的最大拉应变处传感器的波峰数及波峰值进行统计可得，峰值在0～20με、20～40με、40～60με、60～80με、80～100με、100～120με、120～140με的次数分别为115次、299次、116次、183次、186次、42次、1次，如图10所示。其中峰值为20με～40με间的波峰所占比例最大，约为31.74%，而大约一半左右的波峰峰值在60με以下。为研究桥梁在正常工作状态下的车流量，以3#梁跨中截面处传感器波峰数作为车流量大小的衡量指标，统计结果如图11所示，在所统计的时段内11点至12点期间车流量最大，出现的波峰数为85个，12点至13点期间车流量最小，出现的波峰数为45个。

图10 4#梁跨中截面应变峰值统计图图11 某时间段内的波长波峰个数

图12 4#梁跨中截面的典型位移时程曲线图图13 监测跨的变形纵向视图

4.2 变形监测与分析

根据共轭梁法，对所采数据进行动位移计算。监测跨跨中截面的典型位移时程曲线如图12所示，规定桥梁的下挠为负上挠为正，当结构上部有车辆通过时会发生上下波动。当车辆在该跨行驶时，在所监测的时间段内最大负挠度为8.49mm；当车辆在邻跨行驶时，最大挠度为2.38mm。基于分布式光纤传感技术所监测最大正挠度和最大负挠度与动位移计所监测的结果一致。通过对4个小时内监测跨跨中截面的竖向动位移进行统计可得：向下的动位移幅值一般比向上的动位移幅值大，与应变的监测结论一致（图8和图9）；在同一时刻，4#梁跨中处的位移比其它部位的位移大，4小时内该处发生的最大位移为8.49mm，方向向下，此刻相应的监测跨纵向变形分布见图13。

对出现的向下的位移峰值进行统计，峰值在1～2mm、2～3mm、3～4mm、4～5mm、5～6mm、6～7mm、7～8mm、8~9mm的次数分别为200次、154次、95次、117次、154次、64次、14次、1次，如图14所示。其中峰值为1～2mm间的波峰所占比例最大，约为25.03%，而大约一半左右的波峰峰值在4mm以下。同时，峰值为5~6mm的位移峰值所占比例约为19.27%，重车所占比例较大。

图16竖向动位移峰值统计图

5 结 语

本文研究了分布式长标距FBG传感技术在混凝土连续梁桥上的应用，传感器在梁底呈分布式布设。通过分布式FBG传感技术，可以精确得到在移动车辆荷载作用下结构的应变分布规律，在同一移动荷载作用下引起的监测跨跨中的正应变要大于所引起的负应变。基于所测得的分布式应变和共轭梁方法，可以得到桥梁结构在移动车辆荷载作用下的变形分布规律，在同一移动荷载作用下引起的监测跨跨中下挠变形是上挠变形的3倍以上。研究结果表明：长标距FBG传感技术可以有效监测结构的受力和变形状态，在桥梁结构健康监测中具有广泛的应用前景，并将为综合评价桥梁正常运行状况提供有效手段。

参考文献

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