1、光纤传感器在桥梁施工监测中应用摘要：介绍了光纤光栅应变传感器和测量混凝土内部应变的原理。基于实际桥墩盖梁的施工过程，通过理论值与实测值的分析，验证了光纤光栅传感器在桥梁施工监控中具有良好的可靠性。 关键词：光纤光栅 桥梁监测应变 中图分类号： TU997 文献标识码： A 文章编号： 一般在桥梁施工监测中常用传感器为振弦传感器、金属应变片等，随着科技的技术光纤传感器越来越受到人们的关注，与传统的传感器相比其具有测量精度高、动态范围大、频带宽并可实现绝对测量以及抗电磁干扰、耐腐蚀的特点。 本文基于城市高架桥盖梁的施工过程，在其典型受力位置埋入光纤光栅应力和温度传感器，对其各典型施工阶段进行理论应
2、力和实测应力的对比分析。 光纤光栅传感技术 光纤是光导纤维的简称，一般由纤芯、包层、涂覆层构成，是一种多层介质结构的圆柱体光学纤维。纤芯和包层为光纤结构的主体，其主要材料是二氧化硅，对光波的传播起着决定性作用，纤芯的折射率比包层的折射率稍大，但满足一定的入射条件时，光波就沿着纤芯向前传播。光栅传感器满足 Bragg 条件（光波的耦合模理论） ，也即光纤光栅的中心波长与有效折射率和光栅周期满足下式： 可见，光纤光栅的反射波长主要和光栅周期和有效折射率有关，当光纤光栅感受到外界环境温度变化或应变变化时，不仅会引起光栅周期的变化，而且还会引起有效折射率的变化，从而引起反射光波长的偏移，这就是光纤光栅
3、传感的基本原理。 对于光纤光栅而言，有效折射率的变化主要由弹光效应和热光效应引起，光栅周期的变化主要由热膨胀效应和外界的应变引起。但对于成品的传感器中，弹光效应和热光效应为光纤光栅的特性，可以通过实验进行标定，最后转换成成品中给出了传感器的应变灵敏系数和温度灵敏系数。 光纤光栅埋入与盖梁施工 直立式大悬臂盖梁结构，墩柱尺寸为 1.8m*2.0m；盖梁整体形式为 T型，悬臂长度为 6.6m，根部高度为 2.2m，端部高度 1.2m。在盖梁理论计算中采用大型有限元软件 Midas FEA，为实体有限元模型，在结构建模计算中严格按照结构的实际施工过程进行。施工过程为： 盖梁钢筋的绑扎盖梁混凝土浇筑4
4、 根 N2 钢绞线的张拉（浇筑 9天后）一侧右边架设 4 片小箱梁（N2 张拉 10 天后）钢绞线 N4 和 N6张拉全部小箱梁架设剩余钢绞线张拉（架梁 16 天后） 。 在桥墩盖梁建模中，为提高分析精度，采用四面体单元进行墩柱盖梁的网格划分。采用钢筋单元模拟预应力钢束，根据空间位置关系与混凝土实体单元耦合，同时考虑施工阶段混凝土材料时间依存关系的影响。图 1 光纤光栅传感器的埋入 传感器的埋入如图 2 所示，在预应力张拉及上部结构主梁安装过程中，盖梁上缘结构应力的变化相对较大，集中张拉预应力或大批量安装主梁却未及时张拉预应力，均极有可能造成盖梁根部截面受拉而开裂。为了排除混凝土水化热和其收缩
5、、徐变产生的影响，在盖梁中预埋了光纤光栅温度传感器。 传感器安装在盖梁钢筋绑扎完毕后，混凝土浇筑之前进行。光纤光栅传感器的埋置一般遵循以下顺序：串联传感器、预埋位置的确定、传感器线路的布置、传感器绑扎、引线保护等。 传感器绑扎过程中，扎丝应距离传感器端部约 5cm，不应太靠近传感器中部，防止传感器在绑扎过程中受拉或受扭；两端引出线应采用软质细管（如注浆管）进行保护。串联传感器线路布置时，宜沿钢筋走向布置，避免过多的弯曲、缠绕等，其弯曲越小，对传感器波长测量影响越大。 3测量结果分析 桥梁监控的一个重要目的便是荷载施加前、后盖梁典型截面处应力的变化，以此来推断盖梁的施工质量、钢绞线张拉情况、盖梁
6、的实际受力情形等。此处施工荷载引起的应力变化，指各施工阶段前、后，该盖梁监控测点处应力改变的大小；盖梁根部上缘应力分别为四个测点的平均值。 实测值与 FEA 值结果对比 4结语 由上述数据对比分析可知，一次架梁和二次架梁过程中，实测应力值和计算结果相差较大，原因可能为上部小箱梁架设和钢绞线张拉顺序的改变，对悬臂盖梁根部截面产生较大的应力起伏，施工过程中应引起足够的重视。应力变化趋势均与理论计算值有较好的吻合，说明光纤光栅传感器在测量由于荷载引起的盖梁典型截面应力变化时，其数据结果准确，误差较小，光纤光栅传感器在该盖梁施监控中发挥了良好的作用。参考文献： 1 周建华. 光纤光栅传感器应变传递特性研究D.武汉理工大学硕士学位论文 2 李志刚，唐小平. 基于光纤光栅传感器的混凝土梁应变检测J.解放军理工大学学报（自然科学版） 3 杨伟军，王艳. 混凝土早龄期的抗压强度与弹性模量的历时变化模型J.中外公路
