光纤传感器在新通扬运河大桥建设中应用研究

光纤传感器在新通扬运河大桥建设中应用研究

常小锋

泰州市海陵区市政工程管理处

【摘要】本文调查了国内外桥梁施工监控及长期跟踪测试的报道文献。分析了光纤传感器的基本工作原理及本桥采用的传感器的原理。把采用有限元法理论计算得到新通扬运河大桥施工过程各个工况的应力结果与利用光纤传感器实测结果作了比较。比较结果表明：光纤传感器可以较好的满足施工监控的要求。其方法和结果可为今后类似工程的施工及长期监测研究提供参考。

【关键词】桥梁施工监控；光纤传感器；应力监测；有限单元法

【Abstract】DocumentsandreportsaboutbridgeconstructionmonitoringbyOpticalFiberBraggGratingSensors(OFBGS)areinvestigated.ThebasicprinciplesofOFBGSandsensorsusedinXintongyangTunnelareintroduced.ComparisonsbetweenstressresultsofallthekeyconstructioncasesfromtheoreticalanalysisbyfiniteelementmethodandthatfromOFBGSaremade.AnditcanbeconcludedthatOFBGScanmeettheneedofstressmonitoringofbridgeconstructionTheconclusionsobtainedcanbereferredtobythepracticalprojectconstructionandlong-termmonitoringinthefuture.

【Keywords】bridgeconstructionmonitoring;OpticalFiberBraggGratingSensor;stressmonitoring;finiteelementmethod

1前言

江苏省泰州市新通扬运河大桥总长697米，宽32米（6车道),总造价6800万元，是目前市区最大的一座桥梁，是主城区向北扩张的重要通道，在泰州的整体交通网中具有重要地位，对泰州未来的发展就有重要意义。这对大桥的质量和耐久性能提出了更高的要求。为此在桥梁的施工必须加强施工监控，确保施工质量，同时加强竣工后的跟踪监测，以及时掌握大桥的运行状态。对大桥实行监控，根据需要选择合适的监控系统是关键。

目前桥梁的施工和跟综监控系统采常用的仪器设备主要有两种：电阻式和振弦式。但是这些传统的传感器技术由于受到工作原理和材料性质所限，多为点式传感，而传感器的耐久性，可更换性等有较大的限制。由于本桥不但需要进行施工过程监控，更需对桥梁以后的运营状态进行跟踪监控。能满足此要求的目前比较好的选择就是采用光纤传感器。经过文献调查，自从1993年加拿大多伦多大学的研究者率先在卡尔加里的贝丁顿特雷尔大桥上布置光纤传感器进行桥梁结构应变测试以来，1996年光纤传感在瑞士Stork桥，加拿大Taylor桥上成功应用，2004年又在新疆伊犁河大桥成功应用.鉴于以上理由，本桥的传感器采用光纤传感器。

2光纤传感器的原理

光纤布拉格传感器的基本结构为沿纤芯折射率周期性调制，即本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。当一束光送进布拉格光栅时，根据光栅理论，在满足布拉格条件的情况下，就会发生全反射，其反射光谱在布拉格波长处出现峰值。光栅受其外部物理场（如应力、应变、温度等）作用时，其栅距随之发生变化，从而改变了后向反射光的波长，根据的变化就可以测定待测部位相应的物理量的变化。

3光纤传感器在新通扬运河大桥上的应用

3.1工程概述

新通扬运河大桥主桥采用全预应力混凝土连续梁，跨径布置为54+85+54米，上部箱梁采用上、下行两个独立的单箱双室断面，顶板相连，C50混凝土现浇，直腹板型式，单箱顶宽16米，单箱底宽10米，外悬臂长3.5米，内挑臂长2.5米：变截面箱梁高度及底板厚度按二次抛物线变化：桥面横坡由箱梁内外腹板高度来调整，箱梁在横桥向底板保持水平；单箱底板中心梁高连续墩处为5.0米，跨中及梁端段为2.30米；顶板厚28厘米，底板厚度自跨中至连续墩从25厘米渐变为70厘米，腹板宽自跨中至连续墩支座处从40厘米渐变为65厘米。

3.2监测方案

根据连续梁桥施工过程中的受力特点和施工监控的主要目的，并尽力降低监控的成本，在应力最不利截面埋设光纤传感器，跟踪主梁施工过程中的应力变化。监测断面位置及测点布置见图1，图2所示。

3.3监测仪器

本桥采用FBG8125光纤传感分析仪。该仪器采用了世界领先的光谱检测技术，主机采用高速DSP处理技术，可以处理光谱分析的大量数据，同时其独有的全光谱解调软件技术，可以保证系统温度测量的准确性和稳定性。主机设备包括的基本配置：光源模块，光纤耦合器，光探测器，光谱分析单元，信号输出等部分组成，图3是FBG8125工作原理图。

图3FBG8125工作原理图

4光纤传感器在新通扬运河大桥上的应用

从2007年11月日至2008年7月底对桥梁的施工过程进行跟踪监测，测得结果如下（为了减少论文的篇幅我们只列出主梁上的数据）：

主梁B1断面应力监测分析表

主梁B2、B4应力监测分析表

主梁B3应力监测分析表

5结论

由表1-表3，可以得到以下结论：

（1）实测应力与理论计算应力值吻合较好，尽管个别测点测量数据与计算值差超过15%，但应力监测误差能够满足监控要求的监测精度；在整个悬臂施工过程中，各个截面基本上均为受压，从而保证了桥梁在施工过程中的安全，从应力角度讲，到了施工监控的目的。

（2）全桥顺利合拢后光纤传感器仍在继续稳定工作，继续对大桥的运营状态进行跟踪测试，到目前为止传感器与合拢时状态一致，数据稳定可靠。

参考文献

[1]郭璐璐.光纤传感器在土木工程中的应用与发展综述[J].江苏建设，2006第2期.

[2]章关永.光纤传感器技术在桥梁状态监测中的应用[J].世界桥梁，2002年第2期.

[3]张谢东，李永斌等.光栅布拉格光栅传感器在桥梁应力监测中的实效性研究[J].桥梁建设，2006年第2期.