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(guó)建筑一局（集團(tuán)）有限公司，北京 100161）

斜拉橋因長(zhǎng)期裸露在自然環(huán)境中且承受動(dòng)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(píng)判斜拉橋承載能力是否正常的重要參數(shù)之一，采用精準(zhǔn)的索力監(jiān)測(cè)方法測(cè)量拉索索力是目前橋梁工程研究領(lǐng)域的重點(diǎn)課題。我國(guó)現(xiàn)有的主要索力監(jiān)測(cè)方法有千斤頂壓力表測(cè)定法、壓力傳感器測(cè)定法、電阻應(yīng)變片測(cè)定法［2］、磁通量傳感器測(cè)定法［3］、頻率法［4］。千斤頂壓力表測(cè)定法與壓力傳感器測(cè)定法簡(jiǎn)單易行但精度不高，且拉索安裝完成后再進(jìn)行索力測(cè)量難度較大，難以進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；電阻應(yīng)變片易發(fā)生零點(diǎn)漂移；磁通量傳感器易磁化拉索，易受電磁干擾而降低測(cè)量精度；因拉索索力與其振動(dòng)頻率具有顯式關(guān)系，頻率法基于弦振動(dòng)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(duì)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(cè)量精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、布設(shè)簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)在橋梁監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。研究人員對(duì)光纖光柵傳感器在索力監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了大量的探索。文獻(xiàn)［5］提出了一種用光纖光柵基座夾具測(cè)試索力的方法，結(jié)合振動(dòng)頻率法，驗(yàn)證了對(duì)運(yùn)營(yíng)中預(yù)應(yīng)力橋梁進(jìn)行索力監(jiān)測(cè)的可行性；文獻(xiàn)［6］根據(jù)裸光纖光柵對(duì)應(yīng)變的靈敏度大于對(duì)壓力的靈敏度這一特點(diǎn)，提出了一種兩端夾持式的光纖光柵索力傳感器，通過測(cè)量錨頭表面應(yīng)變間接測(cè)量索力，測(cè)量效果良好；文獻(xiàn)［7］用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)光纖光柵傳感器進(jìn)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(cè)精度；文獻(xiàn)［8］提出了一種基于弦振動(dòng)原理的光纖光柵振動(dòng)傳感器，可將監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)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(cè)；文獻(xiàn)［9］研制了一種新型溫度自補(bǔ)償光纖光柵應(yīng)變傳感器，并安裝在拉索的錨具上進(jìn)行索力測(cè)量，大幅度降低了溫度的影響，達(dá)到了溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

為解決傳感器存活率低、易脫落、監(jiān)測(cè)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?yàn)楣こ瘫尘埃瑢?duì)拉索索力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)傳感器與鋼絞線的同步變形，對(duì)其應(yīng)變進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。通過對(duì)比分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和理論值，驗(yàn)證了采用了該技術(shù)封裝的FBG 傳感器對(duì)斜拉橋索力監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，為光纖光柵傳感器在拉索索力監(jiān)測(cè)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(duì)FBG 中心波長(zhǎng)的調(diào)制來實(shí)現(xiàn)傳感。根據(jù)FBG 衍射原理，當(dāng)一束光進(jìn)入光柵時(shí)，只有某種特定波長(zhǎng)的光被反射，其余波長(zhǎng)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(zhǎng)λ為

式中：n為光纖纖芯對(duì)自由空間中心波長(zhǎng)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(cè)得FBG 傳感器的初始波長(zhǎng)λ0。當(dāng)FBG 傳感器感知的應(yīng)變?chǔ)舋發(fā)生變化時(shí)，彈光效應(yīng)會(huì)造成光柵折射率改變和周期伸縮。此時(shí)利用光纖光柵解調(diào)儀測(cè)得FBG 傳感器的中心波長(zhǎng)λB。λB與λ0之差即為 FBG 的波長(zhǎng)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?chǔ)舋與監(jiān)測(cè)基體（鋼絞線）應(yīng)變?chǔ)舖之間由應(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(cè)應(yīng)變靈敏度，可通過標(biāo)定確定。

監(jiān)測(cè)基體的應(yīng)變?chǔ)舖與索力F的關(guān)系為

式中：E，A分別為監(jiān)測(cè)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(jiǎn)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(biāo)定時(shí)，利用已知的F及Δλ，由式（6）可算得；使用時(shí)，根據(jù)標(biāo)定時(shí)算得的及FBG 傳感器監(jiān)測(cè)到的Δλ，由式（6）算得F，實(shí)現(xiàn)對(duì)拉索索力的監(jiān)測(cè)。

2 自感知鋼絞線的研制與標(biāo)定

2.1 研制過程

選用 1×7 標(biāo)準(zhǔn)型鋼絞線，A= 140 mm2；抗拉強(qiáng)度2 000 MPa；屈服荷載250 kN，經(jīng)過破斷力試驗(yàn)后極限承載能力可達(dá)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(zhǎng)范圍為1 525～1 560 nm，波長(zhǎng)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(duì)中心絲進(jìn)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(shí)須在每個(gè)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(dá)到足夠強(qiáng)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(shí)現(xiàn)大量程監(jiān)測(cè)。

圖2 自感知鋼絞線實(shí)物

圖3 自感知鋼絞線橫縱截面示意

2.2 標(biāo)定試驗(yàn)

為保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，須對(duì)自感知鋼絞線進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，評(píng)判其對(duì)實(shí)際工程的適用性。

標(biāo)定所需的主要設(shè)備包括穿心型千斤頂、油泵、張拉臺(tái)座、叉車、錨具。組裝設(shè)備時(shí)，將2 根橫梁穿進(jìn)定位鋼板，用叉車將臺(tái)座兩端定位鋼板撐起，使其沿橫梁移動(dòng)到合適長(zhǎng)度再放下；使千斤頂貼近臺(tái)座一端的定位鋼板，并與油泵連接好；將需要標(biāo)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(zhǎng)度的光纖來進(jìn)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(duì)自感知鋼絞線兩端進(jìn)行錨固；將熔接好的FBG 傳感器與解調(diào)儀連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。標(biāo)定現(xiàn)場(chǎng)見圖4。

圖4 自感知鋼絞線張拉標(biāo)定現(xiàn)場(chǎng)

標(biāo)定步驟為：

1）記錄自感知鋼絞線未經(jīng)張拉時(shí)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，作為初始波長(zhǎng)；

2）將自感知鋼絞線張拉至約5 kN進(jìn)行預(yù)緊；

3）以28 kN 為一級(jí)進(jìn)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(jí)加載過程持荷5 min，記錄對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)；

4）記錄完加載168 kN對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)后，持荷15 min，觀察光纖光柵傳感器是否出現(xiàn)信號(hào)異常甚至失效等情況，確認(rèn)無誤后，逐級(jí)卸載至0。

將步驟2—步驟4 重復(fù)操作5 次，取平均值進(jìn)行標(biāo)定計(jì)算。抽取12 根自感知鋼絞線分成3 組進(jìn)行標(biāo)定，每組4根。試驗(yàn)結(jié)果及擬合曲線見圖5。

圖5 自感知鋼絞線標(biāo)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(biāo)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(cè)應(yīng)變靈敏度，見表1。

表1 自感知鋼絞線FBG監(jiān)測(cè)應(yīng)變靈敏度 nm

由表1 可知，標(biāo)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(cè)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(biāo)定數(shù)據(jù)可算得F=168 kN 時(shí)自感知鋼絞線的應(yīng)變達(dá)6.15×10-3，提高了36%，且線性相關(guān)度高達(dá)99.99%，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絞線大應(yīng)變的監(jiān)測(cè)。

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(zhǎng)974 m，為單索面雙排索三塔四跨矮塔斜拉橋。3 個(gè)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(gè)索塔為獨(dú)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(guó)首次嘗試以高強(qiáng)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(gè)索塔穿有16對(duì)索（自下而上編號(hào)依次為S01—S16），全部采用高強(qiáng)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(shí)，斜拉索穿過主塔索鞍，兩端張拉。由于施工階段須對(duì)全橋96根斜拉索兩端索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每根索兩端各有1個(gè)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(cè)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(cè)周期長(zhǎng)，拉索數(shù)目較多且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量龐大，選取上文標(biāo)定的12根自感知鋼絞線所在拉索進(jìn)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(hào)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(hào)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(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見圖9。

圖9 自感知鋼絞線索力監(jiān)測(cè)曲線

由圖9可知，監(jiān)測(cè)周期內(nèi)各測(cè)點(diǎn)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(jī)選取某2 天的索力監(jiān)測(cè)值，與索力理論值進(jìn)行對(duì)比并計(jì)算其誤差比，見表2—表4。其中，索力理論值根據(jù)邁達(dá)斯軟件計(jì)算得到；誤差比=（索力監(jiān)測(cè)值-索力理論值）/索力理論值×100%。

從表2—表4可知：索力監(jiān)測(cè)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(jì)細(xì)則》規(guī)定的3.00%，說明FBG 傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果具有良好的精確性；對(duì)于同一根索，測(cè)量溫差大于10 ℃時(shí)，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(cè)值與索力理論值對(duì)比

表3 11-S13CG索力監(jiān)測(cè)值與索力理論值對(duì)比

表4 10-S15CG索力監(jiān)測(cè)值與索力理論值對(duì)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(duì)拉索索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)并對(duì)某監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的索力監(jiān)測(cè)值進(jìn)行分析。得出結(jié)論如下：

1）該FBG傳感器量程大，可以測(cè)量0～168 kN的索力，高達(dá)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(dá)99.99%以上；靈敏度的變化非常小，在20 nm 以內(nèi)，監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性良好；測(cè)得的鋼絞線應(yīng)變達(dá)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(cè)困難的問題。

2）該FBG 傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)下，東洲湘江大橋斜拉索在監(jiān)測(cè)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(jī)抽取某2天索力監(jiān)測(cè)值與索力理論值進(jìn)行對(duì)比，最大誤差比為2.80%，小于設(shè)計(jì)要求的3.00%；測(cè)量溫差大于10 ℃時(shí)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(zhǔn)檢測(cè)索力。