覃荷瑛 倪敏

1.桂林理工大學(xué) 廣西壯族自治區(qū)智慧結(jié)構(gòu)材料工程研究中心， 廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 桂林 541004

在材料老化、環(huán)境侵蝕等因素影響下，隨著使用時(shí)間的增加，橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地會出現(xiàn)損傷。橋梁安全狀態(tài)主要通過測試橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下的應(yīng)變、撓度響應(yīng)情況進(jìn)行評價(jià)。監(jiān)測橋梁應(yīng)變、撓度等參數(shù)的傳感器有電阻式應(yīng)變片、振弦式應(yīng)變計(jì)［1-2］、弓形應(yīng)變計(jì)、錨下應(yīng)力傳感器、干涉雷達(dá)傳感器［3-4］，基于微電子技術(shù)的無線傳感器［5］，以及導(dǎo)電膜［6］、靜力應(yīng)變傳感器［7］、高精度箔式應(yīng)變計(jì)［8-9］等。電阻式應(yīng)變片受溫度影響較大，容易發(fā)生零點(diǎn)漂移。張弛等［10］在上海市吳淞大橋安裝振弦式應(yīng)變計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測主梁的應(yīng)變波動，但該應(yīng)變計(jì)受溫度影響較大，對測試數(shù)據(jù)的處理較為復(fù)雜。吳東云等［11］通過現(xiàn)場試驗(yàn)，探討弓形應(yīng)變計(jì)在結(jié)構(gòu)服役荷載測試中的可行性及在結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用，但該應(yīng)變計(jì)標(biāo)定條件限制較多，制作工藝復(fù)雜。韓志強(qiáng)等［12］采用錨下應(yīng)力傳感器監(jiān)測施工中40 m 跨度預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁橋結(jié)構(gòu)的錨下有效預(yù)應(yīng)力，但該傳感器體積龐大且只能監(jiān)測錨下預(yù)應(yīng)力。

FBG 應(yīng)變傳感器因其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕、耐高溫、抗疲勞、耐久性強(qiáng)等，常被應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)等各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)變監(jiān)測［13-14］。熊先才等［15］將光纖法珀傳感器埋入重慶大佛寺長江大橋的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，用于長期應(yīng)變監(jiān)測。張欣等［16］采用長標(biāo)距應(yīng)變傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁的動態(tài)應(yīng)變。劉永前等［17］采用埋入式F-P光纖應(yīng)變傳感器對秦沈客運(yùn)專線遼河特大橋施工過程進(jìn)行監(jiān)測。

現(xiàn)有FBG 應(yīng)變傳感器均存在安裝困難、精度不足等問題。為解決這一難題，本文設(shè)計(jì)一種兩端夾持式的靈敏度可調(diào)FBG 應(yīng)變傳感器，對其應(yīng)變原理、溫度補(bǔ)償原理進(jìn)行分析?；谑覂?nèi)鋼筋混凝土梁受彎試驗(yàn)結(jié)果，將應(yīng)變傳感器安裝在桂林市南洲大橋的混凝土梁結(jié)構(gòu)、橋塔結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)表面，進(jìn)行為期30 d 的監(jiān)測，以期為結(jié)構(gòu)損傷評估提供技術(shù)支撐，為維護(hù)施工期的橋梁健康監(jiān)測提供依據(jù)。

1 FBG基本傳感原理

1.1 FBG應(yīng)變傳感原理

FBG 是一段纖芯折射率具有周期性變化的光纖，本質(zhì)上是利用紫外全息曝光的方式在纖芯形成窄帶濾波器，對入射光進(jìn)行波長選擇。當(dāng)寬帶光譜進(jìn)入柵區(qū)時(shí)，波長與柵區(qū)中心波長相同的光會被反射回去，其他波長的光則直線通過［18-20］。FBG結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 FBG結(jié)構(gòu)

基于耦合理論，光纖光柵中心波長可表示為

式中：λB為光纖光柵的中心波長；neff為光纖纖芯的有效折射率；Λ為光柵周期。

當(dāng)外界環(huán)境引起柵區(qū)溫度、應(yīng)力變化時(shí)，中心波長會隨之改變。因此，F(xiàn)BG 中心波長變化量ΔλB可表示為

式中：ΔΛ為光柵周期變化量；Δneff為光纖纖芯有效折射率變化量。

當(dāng)不考慮溫度對中心波長的影響時(shí)（即保持溫度不變），光纖在軸向應(yīng)力的作用下長度發(fā)生變化，產(chǎn)生彈光效應(yīng)。此時(shí)FBG中心波長變化量可表示為

式中：ΔL為FBG 的軸向形變量；?neff/?LF為彈光效應(yīng)；LF為FBG原始長度。

在均勻軸向應(yīng)變條件下，F(xiàn)BG 中心波長變化量ΔλB可表達(dá)為

式中：ν為泊松比；P11、P12為彈光效應(yīng)系數(shù)；εx為光纖光柵感知應(yīng)變；Pe為光纖材料的有效彈光系數(shù)，Pe=，對于常見的石英光纖，一般取0.22。

令FBG應(yīng)變靈敏度系數(shù)（Kε）為

則有

對于纖芯是純石英的光纖情況，中心波長為1 550 nm附近的光纖光柵，Kε= 1.21 × 10-3nm。

1.2 FBG溫度補(bǔ)償原理

當(dāng)FBG 處于均勻壓力場和軸向應(yīng)力恒定條件下，外界溫度引起的熱光效應(yīng)和光纖熱膨脹效應(yīng)導(dǎo)致了光纖光柵波長發(fā)生變化。熱膨脹效應(yīng)改變光柵周期，熱光效應(yīng)改變光柵區(qū)域的折射率。當(dāng)外界溫度改變時(shí)，光柵的中心波長變化量為

式中：ξF為光纖的熱光系數(shù)，常溫下取6.5 × 10-6℃-1；αF為裸光纖光柵的熱膨脹系數(shù)，對于常見的石英光纖取0.5 × 10-6℃-1。

由式（4）和式（7）可知，在應(yīng)力和溫度的共同作用下，裸光纖光柵中心波長變化量為

當(dāng)FBG 嵌入基體材料，只受溫度影響時(shí)，即耦合有光纖光柵的基底材料在溫度影響時(shí)是自由不受約束的［21］。由于基底材料的熱膨脹系數(shù)（αM）和裸光纖光柵的熱膨脹系數(shù)（αF）不同，導(dǎo)致光纖光柵受基底溫度的變化而產(chǎn)生應(yīng)力作用。將這種應(yīng)力近似為軸向應(yīng)力，則光纖光柵受產(chǎn)生的軸向應(yīng)變εx= （αM-αF）ΔT，與裸光纖光柵同時(shí)受應(yīng)變和溫度影響一致，代入式（8）則有

式中：KT為光纖光柵嵌入基體后的溫度靈敏度系數(shù)，KT=[(1 -Pe)(αM-αF)+(ξF+αF)]λB。

FBG 嵌入基體后，同時(shí)受溫度和軸向應(yīng)力（應(yīng)變）影響時(shí)，由式（6）和式（9）得到光纖光柵中心波長變化量，即

其中，Kε和KT通過傳感器標(biāo)定獲得，ΔT通過另一個(gè)不受力的FBG 應(yīng)變傳感器（溫補(bǔ)傳感器）獲得。將ΔT= Δλt/KT代入式（10）得到FBG 應(yīng)變傳感器所監(jiān)測到構(gòu)件因受力而產(chǎn)生的應(yīng)變（ε0），即式中：Δλε、Δλt分別為既受力又受溫度變化的FBG 應(yīng)變傳感器和只受溫度變化的溫度傳感器（FBG 溫補(bǔ)傳感器）的中心波長變化量；KT1為FBG 應(yīng)變傳感器的溫度靈敏度系數(shù)。

本文提出的新型FBG 應(yīng)變傳感器通過粘貼一個(gè)中心波長變化只與溫度有關(guān)的FBG 溫度傳感器來解決應(yīng)變-溫度交叉敏感問題，可以獲得僅因應(yīng)力引起的中心波長變化量。

2 靈敏度可調(diào)式FBG 應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理

FBG 的極限應(yīng)變?yōu)? × 10-3～ 7 × 10-3，當(dāng)被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變超出FBG 的極限應(yīng)變時(shí)，傳統(tǒng)FBG 應(yīng)變傳感器難以準(zhǔn)確監(jiān)測該結(jié)構(gòu)應(yīng)變，通過調(diào)節(jié)FBG 應(yīng)變傳感器的靈敏度可以解決這一難題。

2.1 靈敏度可調(diào)式FBG應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)

靈敏度可調(diào)式FBG 應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)由兩支座固定件、連接桿、夾持桿和一壓縮彈簧、刻有光柵（應(yīng)變光柵、溫度光柵）的光纖組成，見圖2。圖中，L為兩夾持桿件內(nèi)封裝端點(diǎn)之間的距離，L0為兩支座固定件中點(diǎn)間的距離。應(yīng)變光柵懸空置于彈簧內(nèi)部，在光柵兩端粘貼長度以外通過光纖固定器對光纖施加一定的預(yù)拉力，使其保持拉緊狀態(tài)。用光纖粘貼專用膠從粘貼起始點(diǎn)往外側(cè)對稱地將光纖封裝在帶有凹槽的夾持桿件上，這種粘貼方式可以降低應(yīng)變遲滯效應(yīng)。為保證被測結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)變有效傳遞，封裝后的FBG 處于鋼管中心位置，并按預(yù)先設(shè)計(jì)的固定長度（L0）安裝在被測結(jié)構(gòu)上。被測結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)變通過固定支座傳遞給FBG 應(yīng)變傳感器，使FBG 中心波長發(fā)生漂移，實(shí)現(xiàn)對被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測。

圖2 靈敏度可調(diào)式FBG應(yīng)變傳感器

考慮到溫度對FBG 中心波長的影響，利用溫度參考光柵的溫度補(bǔ)償原理，將溫補(bǔ)光柵粘貼在該靈敏度可調(diào)式FBG 應(yīng)變傳感器中任一夾持桿件凹槽處，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

2.2 靈敏度可調(diào)式FBG應(yīng)變傳感器的工作原理

令ΔL0為兩支座固定件中點(diǎn)的伸長量。由于夾持桿的剛度遠(yuǎn)大于光纖的剛度，因此夾持桿產(chǎn)生的位移與FBG 伸長量相同，即ΔL= ΔL0。設(shè)FBG 應(yīng)變傳感器感知應(yīng)變?yōu)棣?，被測對象的應(yīng)變?yōu)棣?。根據(jù)材料力學(xué)原理有

由式（6）和式（13）可知被測對象應(yīng)變和FBG 應(yīng)變傳感器感知應(yīng)變的關(guān)系為

溫度不變時(shí)，令KεL0/L=KFBG，則ΔλB與ε的關(guān)系可表示為

式中：KFBG為靈敏度可調(diào)式FBG 應(yīng)變傳感器的理論應(yīng)變靈敏度系數(shù)，其值與L0、L的比值有關(guān)。

當(dāng)被測對象的應(yīng)變遠(yuǎn)小于FBG 的極限應(yīng)變時(shí)，使L＜L0，從而提高FBG 應(yīng)變傳感器的靈敏度，監(jiān)測微小應(yīng)變；當(dāng)被測對象的應(yīng)變大于FBG 的極限應(yīng)變時(shí)，使L＞L0，從而降低FBG 應(yīng)變傳感器的靈敏度，監(jiān)測大應(yīng)變。

溫度變化時(shí)，由式（11）得到被測對象因受力產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?/p>

式中：λε為應(yīng)變光柵當(dāng)前測量波長，nm；λε0為應(yīng)變光柵安裝完成后的初始波長，nm；λt為溫補(bǔ)光柵當(dāng)前測量波長，nm；λt0為溫補(bǔ)光柵安裝完成后的初始波長，nm。

綜上，該新型FBG 應(yīng)變傳感器可通過改變L0的大小來控制L與L0的比值從而調(diào)整傳感器靈敏度，既可監(jiān)測微小應(yīng)變又可監(jiān)測大應(yīng)變。

3 鋼筋混凝土梁受彎試驗(yàn)

3.1 鋼筋混凝土梁的制備

制備試驗(yàn)梁尺寸為120 mm × 200 mm × 1 800 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C20，梁底配置兩根直徑14 mm 的HRB400 級受拉主筋，箍筋采用?6@150。試驗(yàn)梁尺寸及配筋如圖3所示。

3.2 鋼筋混凝土梁受彎試驗(yàn)

鋼筋混凝土梁受彎試驗(yàn)采用二點(diǎn)加載方式，所需設(shè)備主要有：FBG 應(yīng)變傳感器、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、千斤頂、壓力傳感器、反力架、光纖光柵解調(diào)儀、裂縫探測儀等。試驗(yàn)梁凈跨1 620 mm，設(shè)計(jì)的純彎段長度為540 mm。梁底部純彎段布置有三組上述新型FBG 應(yīng)變傳感器，編號為S-1、S-2、S-3，參數(shù)見表1。每組傳感器正下方粘貼有3 支型號為BF120-30AA，電阻值為120 Ω，靈敏度系數(shù)為2.0 的電阻應(yīng)變片進(jìn)行對比分析，沿測點(diǎn)軸線以及兩側(cè)布置，編號為Y1—Y9，見圖4。試驗(yàn)在常溫條件下進(jìn)行，溫度變化對傳感器的影響可忽略不計(jì)。

表1 FBG應(yīng)變傳感器試件參數(shù)

圖4 測點(diǎn)布置及加載位置（單位：mm）

組裝設(shè)備時(shí)，首先將試驗(yàn)梁放置在反力架已固定好的支座上，在試驗(yàn)梁頂部確定好加載點(diǎn)，而后放置鋼梁，在鋼梁上方放置壓力傳感器和千斤頂，利用墊塊墊高使壓力傳感器與反力架上的千斤頂作用，將作用在鋼梁上的均布荷載轉(zhuǎn)化為二點(diǎn)加載。FBG 應(yīng)變傳感器通過跳線與光纖光柵解調(diào)儀相連將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，解調(diào)儀另一端用網(wǎng)線與計(jì)算機(jī)連接輸出中心波長數(shù)據(jù)并記錄，電阻應(yīng)變片通過引線采用半橋接線法連接應(yīng)變儀，試驗(yàn)前將應(yīng)變清零。

鋼筋混凝土梁受彎試驗(yàn)步驟：①記錄鋼筋混凝土梁未加載時(shí)對應(yīng)的FBG 應(yīng)變傳感器的中心波長，作為初始波長；②以0 為起點(diǎn)，2 kN 為一級遞增進(jìn)行加載，加載至鋼筋混凝土梁破壞停止試驗(yàn)；③每級加載至設(shè)定力值，待波長穩(wěn)定后記錄FBG 應(yīng)變傳感器對應(yīng)中心波長和電阻應(yīng)變片對應(yīng)監(jiān)測值；④加載至出現(xiàn)第1 條裂縫時(shí)，使用裂縫探測儀測出裂縫寬度并記錄，對裂縫編號和標(biāo)記位置。

試驗(yàn)結(jié)束后對FBG 應(yīng)變傳感器波長數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過式（16）計(jì)算得到相應(yīng)的應(yīng)變，并與電阻應(yīng)變片的監(jiān)測值進(jìn)行對比分析，見圖5。FBG 應(yīng)變傳感器應(yīng)變-波長差值擬合曲線見圖6。

圖5 荷載-應(yīng)變曲線

圖6 FBG應(yīng)變傳感器應(yīng)變-波長差值擬合曲線

由圖5 可知：FBG 應(yīng)變傳感器測得的應(yīng)變隨應(yīng)力的變化趨勢與理論變化趨勢始終保持一致；荷載達(dá)到15 kN 時(shí)出現(xiàn)第一條裂縫，此后電阻應(yīng)變片測得的應(yīng)變與理論計(jì)算值誤差逐漸增大，且規(guī)律性較差。總體來說，F(xiàn)BG 應(yīng)變傳感器更適合用于鋼筋混凝土梁的應(yīng)變監(jiān)測，可為結(jié)構(gòu)損傷提供技術(shù)評估。

由圖6 可知：靈敏度可調(diào)式FBG 應(yīng)變傳感器在鋼筋混凝土梁受彎試驗(yàn)中監(jiān)測應(yīng)變與波長差值成線性關(guān)系且線性度高（決定系數(shù)R2均為1），穩(wěn)定性好，監(jiān)測數(shù)據(jù)具有可靠性，與理論情況相符。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況及測點(diǎn)布置

南洲大橋位于廣西壯族自治區(qū)桂林市疊彩區(qū)大河鄉(xiāng)境內(nèi)，東二環(huán)路上，跨越漓江，全長320.0 m，由主橋和西引橋組成。主橋?yàn)榍p索面斜拉橋，斜拉橋采用塔、梁、墩固結(jié)體系，主塔采用斜彎的H 型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。主橋主梁采用兩種結(jié)構(gòu)形式：東邊跨為2 根預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，截面形式為單箱雙室；主跨主梁為鋼-混凝土疊合梁，由2榀鋼箱梁混凝土橋面板及鋼縱橫梁組成，鋼箱梁采用單箱三室，腹板及底板為鋼結(jié)構(gòu)，頂板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，箱梁間采用鋼橫梁、鋼縱梁以及混凝土橋面板連接成整體，鋼構(gòu)件均采用Q345qC 鋼。該橋建成于2007 年，由同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，中鐵大橋局集團(tuán)有限公司施工建造。將9支FBG應(yīng)變傳感器安裝于南洲大橋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行健康監(jiān)測（圖7）。

圖7 FBG應(yīng)變傳感器現(xiàn)場安裝

將9支FBG應(yīng)變傳感器分成3組（A組、B組、C 組），每組3支，編號分別為A-1、A-2、A-3，B-1、B-2、B-3，C-1、C-2、C-3。FBG應(yīng)變傳感器參數(shù)見表2。

表2 FBG應(yīng)變傳感器參數(shù)

將A 組FBG 應(yīng)變傳感器應(yīng)用于大橋上游的混凝土梁結(jié)構(gòu)表面［圖8（a）］；B 組FBG 應(yīng)變傳感器安裝于大橋上游的橋塔結(jié)構(gòu)底端［圖8（b）］；C 組FBG 應(yīng)變傳感器安裝于大橋上游的鋼結(jié)構(gòu)表面［圖8（c）］。

圖8 大橋測點(diǎn)布置

由于監(jiān)測期間晝夜溫差較大，為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確性和可靠性，F(xiàn)BG 應(yīng)變傳感器在投入使用前進(jìn)行了應(yīng)變靈敏度和溫度靈敏度標(biāo)定。FBG 應(yīng)變傳感器標(biāo)定參數(shù)見表3。引入溫度補(bǔ)償系數(shù)（KT1/KT），采用式（16）消除溫度對此種FBG 應(yīng)變傳感器中心波長變化的影響。

4.2 監(jiān)測分析

FBG 應(yīng)變傳感器安裝完成后首先連接Agilent861 42B解調(diào)儀記錄應(yīng)變光柵的初始波長和溫補(bǔ)光柵的初始波長，隨即開始監(jiān)測，歷時(shí)30 d。期間每隔3 d 記錄各FBG 應(yīng)變傳感器應(yīng)變光柵的中心波長和溫補(bǔ)光柵的中心波長。監(jiān)測結(jié)束后，由式（16）計(jì)算得到監(jiān)測期間南洲大橋各測點(diǎn)結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變，繪制應(yīng)變波動曲線，見圖9。

由圖9 可知，F(xiàn)BG 應(yīng)變傳感器可監(jiān)測南洲大橋混凝土梁結(jié)構(gòu)、橋塔結(jié)構(gòu)以及鋼梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變且跟隨性良好，監(jiān)測期間FBG 應(yīng)變傳感器存活率為100%。混凝土梁表面和橋塔結(jié)構(gòu)表面各測點(diǎn)應(yīng)變波動趨勢大體一致，鋼梁表面三個(gè)測點(diǎn)監(jiān)測趨勢變化差別較大。原因是鋼材產(chǎn)生形變主要由兩部分組成，分別是加工過程中留下的殘余應(yīng)力引起的變形和受到外力引起的變形，由于殘余應(yīng)力的存在導(dǎo)致圖9（c）鋼梁表面三個(gè)測點(diǎn)趨勢變化差別較大?？傮w上，該靈敏度可調(diào)式FBG應(yīng)變傳感器可應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測。

5 結(jié)論

1）在鋼筋混凝土梁受彎試驗(yàn)中，梁彈性工作階段，F(xiàn)BG 應(yīng)變傳感器監(jiān)測應(yīng)變與波長變化成線性關(guān)系，線性度高；梁體出現(xiàn)開裂瞬間，監(jiān)測值出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，符合理論值變化趨勢。該靈敏度可調(diào)式FBG 應(yīng)變傳感器能對混凝土梁受彎直至破壞做到全程監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果具有可靠性，可為結(jié)構(gòu)損傷評估提供技術(shù)支撐。

2）靈敏度可調(diào)式FBG 應(yīng)變傳感器布置在南洲大橋相應(yīng)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，大橋結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變波動在合理范圍內(nèi)，監(jiān)測結(jié)果可靠。FBG 應(yīng)變傳感器監(jiān)測跟隨性好，普通惡劣天氣下存活率為100%，可應(yīng)用于橋梁工程的健康監(jiān)測中。