基金項(xiàng)目：

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

作者簡(jiǎn)介：

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

摘要：為實(shí)現(xiàn)橋梁斜拉索索力的長期、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，文章提出了一種基于光纖光柵壓力傳感器的索力自校準(zhǔn)監(jiān)測(cè)技術(shù)。該技術(shù)在壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斜拉索索力的同時(shí)，還對(duì)斜拉索的振動(dòng)行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)后者的數(shù)據(jù)，按照頻率法再次計(jì)算斜拉索的索力，對(duì)傳感器監(jiān)測(cè)值進(jìn)行復(fù)核，以達(dá)到斜拉索索力自校準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的目的。實(shí)例橋梁監(jiān)測(cè)效果表明，這兩種方法均可準(zhǔn)確地獲得斜拉索索力，兩者的結(jié)果相對(duì)誤差≤3.47%，且相對(duì)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(cè)試法和振動(dòng)頻率測(cè)試法計(jì)算出的平均索力值誤差均≤0.83%。

關(guān)鍵詞：光纖光柵；壓力傳感器；頻率法；索力自校準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：U448.27文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jié)構(gòu)形式之一，而斜拉索是斜拉橋的關(guān)鍵受力構(gòu)件。斜拉索索力的絕對(duì)量、變化量以及整體分布情況會(huì)直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布以及橋面幾何線形，是評(píng)價(jià)橋梁施工質(zhì)量和運(yùn)營期間橋梁健康狀態(tài)的核心指標(biāo)，因此對(duì)斜拉橋拉索索力進(jìn)行長期準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)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(cè)試法、磁通量傳感器測(cè)試法［2-4］、內(nèi)嵌光纖光柵應(yīng)變傳感器測(cè)試法［5］、振動(dòng)頻率測(cè)試法［6］等。其中，振動(dòng)頻率測(cè)試法具有簡(jiǎn)單、便捷、測(cè)試設(shè)備可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用［7］，但單純地使用該類傳感器又容易受到索體計(jì)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(qiáng)、易于集成、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)而在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用［8］?；诠饫w光柵的監(jiān)測(cè)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(yàn)驗(yàn)證了此傳感器用于索力監(jiān)測(cè)和溫度補(bǔ)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(cè)結(jié)果會(huì)不可避免地存在誤差，如果僅采用單一方法來監(jiān)測(cè)索力，要證明其監(jiān)測(cè)結(jié)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(zhǔn)確監(jiān)測(cè)斜拉索索力，本文設(shè)計(jì)了一種光纖光柵壓力傳感器，該壓力傳感器在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拉索索力的同時(shí)，還可以實(shí)時(shí)記錄斜拉索的振動(dòng)行為，然后利用頻率法再次計(jì)算基于該壓力傳感器采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)從而得到復(fù)核索力，對(duì)比兩者的結(jié)果，以達(dá)到斜拉索索力測(cè)量自校準(zhǔn)的目的。本文介紹了光纖光柵壓力傳感器的設(shè)計(jì)方案和監(jiān)測(cè)技術(shù)原理，并在南洞庭勝天大橋的多根斜拉索上測(cè)試了基于光纖光柵壓力傳感器的斜拉索索力自校準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)效果。

1 索力自校準(zhǔn)監(jiān)測(cè)原理

1.1 光纖光柵壓力傳感器監(jiān)測(cè)原理

光纖光柵對(duì)外界環(huán)境變化的響應(yīng)，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(cè)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(shí)，圓環(huán)形彈性材料會(huì)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(huì)與圓環(huán)形彈性材料發(fā)生協(xié)同變形，從而導(dǎo)致光柵中心波長漂移。監(jiān)測(cè)該光柵中心波長漂移量，并對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)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(zhǔn)監(jiān)測(cè)原理

斜拉索振動(dòng)的時(shí)候，索體表面材料的振動(dòng)可分解為多個(gè)不同頻率和幅值的正弦信號(hào)，取其中任意一個(gè)進(jìn)行分析，如圖1所示。

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

因此，通過光纖光柵壓力傳感器測(cè)得當(dāng)前索力，再基于該傳感器得到的斜拉索振動(dòng)頻率計(jì)算得到復(fù)核索力，將二者進(jìn)行對(duì)比實(shí)現(xiàn)索力自校準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，具有切實(shí)的可行性。

2 傳感器設(shè)計(jì)

如圖3所示，光纖光柵壓力傳感器內(nèi)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(zhì)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(gè)壓力測(cè)點(diǎn)的壓力傳感器。

在壓力傳感器被應(yīng)用到斜拉橋上之前，采用A、B、C三個(gè)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)，標(biāo)定結(jié)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(shí)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(nèi)。在后續(xù)計(jì)算中，將直接把測(cè)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(yīng)用

3.1 工程實(shí)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(gè)索塔兩側(cè)布置17對(duì)抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 770 MPa的平行鋼絲斜拉索。上述3個(gè)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(cè)及自校準(zhǔn)

當(dāng)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(huì)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(biāo)定試驗(yàn)獲得的回歸方程中可求出壓力值，即索力值。

斜拉索的振動(dòng)帶動(dòng)光纖光柵壓力傳感器也產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)響應(yīng)，用采樣頻率為100 Hz的光纖光柵解調(diào)儀記錄對(duì)應(yīng)的振動(dòng)時(shí)程數(shù)據(jù)，分析其固有頻率，最后算出索力值，對(duì)比以上兩種方法獲得的索力值，可實(shí)現(xiàn)索力監(jiān)測(cè)的自校準(zhǔn)。

在橋梁完成第三期壓重布置后，采集各光纖光柵的振動(dòng)時(shí)程數(shù)據(jù)，時(shí)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(dǎo)致不同的光纖光柵對(duì)同樣的振動(dòng)的敏感程度不同。對(duì)同樣的振動(dòng)，4號(hào)光柵的振幅普遍小于其他光柵，但是不影響固有頻率的計(jì)算，依據(jù)4號(hào)光柵監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)繪制的頻域圖依然有3個(gè)比較明顯的波峰。通過壓力傳感器測(cè)試法和振動(dòng)頻率測(cè)試法計(jì)算的斜拉索索力如表2所示。

從表2可知，同一個(gè)傳感器內(nèi)4個(gè)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(cè)到的索力值是有效的；同一個(gè)傳感器4個(gè)光纖光柵監(jiān)測(cè)到的斜拉索振動(dòng)基頻也基本一致，說明4個(gè)光纖光柵均可充分感知振動(dòng)，并揭示斜拉索的振動(dòng)規(guī)律。兩種方法計(jì)算得到的索力值誤差≤3.47%。

基于壓力傳感器測(cè)試法和振動(dòng)頻率測(cè)試法計(jì)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(duì)比如表3所示。表3的數(shù)據(jù)顯示，相對(duì)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(cè)試法和振動(dòng)頻率測(cè)試法計(jì)算出的索力值誤差均≤0.83%。

在斜拉橋運(yùn)營過程中，可采用兩種方法同時(shí)監(jiān)測(cè)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(rèn)為該索力值為斜拉索的實(shí)際索力值，即斜拉索索力值的自校準(zhǔn)。如果隨著時(shí)間的推移，通過其中一種測(cè)試方法得到的索力持續(xù)保持穩(wěn)定，而通過另一種測(cè)試方法得到的索力值出現(xiàn)較大偏差，則用前者的結(jié)果修正后者的結(jié)果，繼續(xù)實(shí)現(xiàn)斜拉索索力值的自校準(zhǔn)。如果隨著時(shí)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(jié)語

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

（1）將光纖光柵耦合到圓環(huán)彈性材料中，可實(shí)現(xiàn)壓應(yīng)變的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)；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(guān)系。

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

（3）相對(duì)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(cè)試法和振動(dòng)頻率測(cè)試法計(jì)算出的平均索力值誤差均≤0.83%。通過3個(gè)索力值的對(duì)比可以判斷索力的真實(shí)性以及拉索的狀態(tài)。

在斜拉橋運(yùn)營過程中，可以通過同一個(gè)傳感器使用兩種方法同時(shí)監(jiān)測(cè)斜拉索索力，實(shí)現(xiàn)索力自校準(zhǔn)。

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