光纤光栅传感器用于钢筋混凝土结构健康监测的实验研究

董云峰，王玉玲，吴春梅

(大庆师范学院 物理与电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163712)

1 问题陈述

钢筋混凝土结构是土木工程的主要结构形式之一，但由于大型钢筋混凝土结构的使用期限都长达几十年，甚至上百年，在其服役过程中，由于环境载荷作用、疲劳效应以及腐蚀和材料老化等不利因素的影响，结构将不可避免的产生损伤积累和抗力衰减，严重时将导致灾难性事故的发生，因此对钢筋混凝土结构健康状况进行监测就显得尤为重要。目前,对大型工程结构的变形情况监测普遍采用电阻应变片或钢筋应力计。但由于其易受环境,尤其是电磁场、温度、湿度、化学腐蚀和寿命短等条件的影响，而且不能进行分布式测量，其应用范围收到很大程度的限制。

光纤光栅与传统的电类传感器相比,除了具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、 防水、不受光源功率波动的影响等优点外，而且集传感与传输于一体、易于埋入材料内部或附着在结构的表面进行应变、温度或其他物理量的测量而不改变结构的整体性；同时也可以通过复用技术集合成分布式传感网络，来测量大型空间中的应力或温度场的实时分布特征。光纤光栅传感技术满足了现代土建结构监测的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求，而被认为是在土木工程结构健康监测中最有前途的传感形式[1-3]。

2 FBG传感原理[2-5]

光纤光栅Bragg波长λB随温度和应变的漂移为

△λB=KT△T+Kεε

(1)

式中λB为光纤光栅的中心波长，KT=(α+ζ)λB、Kε=(1-Pe)λB分别为温度、应变灵敏度系数，α和ζ分别为光纤的热膨胀系数和热光系数，Pe为有效弹光系数，ε为轴向应变。因此，通过监测Bragg波长的漂移即可测出外界应力和温度的变化[4-5]。

由于光纤光栅对温度和应变是交叉敏感的，所以当用光纤光栅进行应变测量的时候，必须进行温度补偿，剔除温度变化带来的影响。设参考光栅和传感光栅的波长分别为λB1、λB2，温度灵敏度系数为KT1、KT2，传感光栅的应变灵敏度系数为Kε，则有

△λB1=KT1△T

(2)

△λB2=KT2△T+Kεε

(3)

把(2)式带入(3)式，得到由应变引起的波长漂移为

(4)

本实验中，利用光纤温度传感器监测温度变化进行温度补偿。

3 实验过程及结果

3.1 实验装置及方案描述

本实验主要测试钢筋混凝土圆柱桩的抗弯情况。抗弯试件的尺寸为3000×327×327的圆柱桩，试件主筋为17根Ф10钢筋，箍筋的直径为Ф4。实验中我们利用嵌入式光纤应变传感器测量钢筋混凝土的应变，利用光栅温度传感器监测温度的变化；同时我们在试件的相同截面安装钢筋应力计来监测钢筋混凝土的受力及应变情况。实验中利用千斤顶对钢筋混凝土圆柱桩试件进行分级加载，采用三通道FBG解调仪来监测FBG传感器波长的变化情况，同时利用与计算机相连的处理软件来监测钢筋应力计测量的结果。

3.2 传感器的布设与安装

FBG传感器和钢筋应力计布设如图1和2所示，在钢筋混凝土圆柱体试件中的截面上1号和9号钢筋上各布置1个FBG应变传感器，同时在1号钢筋上布置一个FBG温度传感器监测温度变化。主筋上间隔放置钢筋应力计，即图1所示的横截面图上用蓝色实心圆点表示的共计8根钢筋在三个等截面上放置钢筋应力计。

图1 钢筋混凝土圆柱桩横截面图

图2 传感器布置图

3.3 实验加载方案

本实验采用三分点加载法，如图3中荷载P通过分配转化成2个0.5P大小相等的力，分别作用在试件2个1/3点处。实验中采用手动分级加载，步长为1t，一直加载到20t时钢筋混凝土圆柱桩破坏为止。

图3 抗弯实验加载示意图

3.4 实验结果及分析

实验中采用手动加载，加载步长为1t，每次加载结束后稳定5分钟后进行数据采集，FBG解调系统记录波长变化情况，与计算机相连的监测软件记录钢筋应力计测量的数据。实验中加载到20t时，混凝土圆柱体已经明显变弯，当继续加载时，出现荷载加载不上去的现象，此时我们停止加载。实验结束时的混凝土试件如图4所示，试件中部已经变弯，此时混凝土表面出现很多裂纹，如图5所示。

图4 钢筋混凝土圆柱体试件图 图5 混凝土表面裂纹

经处理后的实验数据如图6所示。图中横轴表示荷载，纵轴表示钢筋混凝土试件所受的应力。编号1～8为横截面内1布置的钢筋应力计，编号9～16为横截面2布置的钢筋应力计，编号17～24为横截面3内的钢筋应力计，两个FBG分别布置在横截面2内，9号和10号及13号和14号钢筋应力计之间的钢筋上。从图中6可以看到，FBG传感器测量的结果与钢筋应力计测量的数据具有相同的趋势和量级，可以正确反映钢筋混凝土圆柱体内部受力变形情况，是混凝土结构内部健康监测的理想元件。

图6 抗弯实验载荷-应力图

4 结语

本文通过对光纤光栅传感器用于钢筋混凝土圆柱桩结构健康监测的实验研究，发现FBG传感器测量的结果与钢筋应力计测量的数据具有相同的趋势和量级，可以正确反映钢筋混凝土圆柱体内部受力变形情况，满足结构健康监测的需要。

[参考文献]

[1] Eric Udd, Marley Kunzler, Marty Laylor, et al.Fiber grating systems for traffic monitoring [J]. SPIE 2001, 4337:510-516.

[2] Johann Meissner, Walter Nowak. Strain monitoring at a prestressed concrete bridge[C].Proc. of the 12th Optical Fiber Sensor Conference OFS12, 1997: 408-411.

[3] Sandeep T V, Bryan A, Gregg J,et al. Quasi-static stain monitoring during the push phase of a box-girder bridge using Bragg grating sensors[C].Proceeding of SPIE— European Workshop on Optical Fiber Sensors.Scotland, 1998, 3483:205-208.

[4] Sean C, Jason M. Bridge structural health monitoring system using fiber grating sensors: development and preparation for a permanent installation[J].SPIE 2004,5391:61-71.

[5] Zhao Xue-feng,Tian Shi-zhu,Zhou Zhi,et al,Experimental Study on Strain Monitoring of Concrete Usinga Steel Slice Packaged Fibei Grating [J].J.of Optoelectronics·Laser(光电子·激光)，2003，14(2)：171-174.