光纤光栅传感器在施工中的应用

林存旭　张纯金　藤召武

摘 要：文章介绍了光纤光栅传感器，简述了光纤光栅传感器在施工中的应用-光纤预应力筋以及光纤预应力筋在预应力混凝土结构安全监测方面的应用。

关键词：光纤光栅传感器；光纤预应力筋；预应力混凝土结构；安全监测

光纤光栅传感技术在近几年发展速度的飞快。大量研究表明：光纤光栅传感技术是一种非常先进，并且十分有效的结构健康监测的工具和方法。光纤传感技术解决了许多过去传统监测方法的缺点和不足，并具有很好的应用价值和发展前景。由于我国领土经纬度跨越本来就很大，而且拥有各种各样的地形还有气候环境。在使用的过程中，环境对建筑本身会有相应的腐蚀，荷载也会使其产生疲劳，随着时间的增长建筑的材料也会发生老化，这些建筑结构的损伤无法消除，并且会降低结构的可靠度，甚至于已经无法继续使用。在工程已经无法继续使用，处于危险状态，如果此时还无法对建筑本身做出准确的评估，继续使用，那么极有可能产生各种突发事故。这不仅有可能造成巨大的经济上面的损失，而且也有可能造成人员的大规模的伤亡。

1 光纤光栅传感器

光纤光栅传感技术在近几年发展速度的飞快。大量研究表明：光纤光栅传感技术是一种非常先进，并且十分有效的结构健康监测的工具和方法。光纤传感技术解决了许多过去传统监测方法的缺点和不足，并具有很好的应用价值和发展前景。

针对工程结构监测，一个非常重要的参数是应力。现在而言，大多数的应力传感器是利用电阻应变计测量，但有很多的工程实例向我们表明：一些例如在湿度的环境因素等，对测量的精度和稳定性影响很大，使健康监测不能对许多重要工程结构实现在线的有效准确的检测。

光纤光栅传感器是应用于土木建筑中一种新的传感技术；在土木工程中使用光学方面的技术。运用基于光纤光栅传感测试技术的预应力筋来长期实时测量当前大型工程的结构损伤的这种测量方法，在现在有着良好的发展趋势。预应力筋与光纤光栅传感器相结合，将会有可能实现对预应力钢筋混凝土结构的长期健康有效的检测。

光纤光栅传感技术在土木工程结构领域拥有巨大的潜力，光纤传感技术的发展已经达到了一个新的阶段。光纤传感技术具有传统传感器不具有的许多优点，并且这些优点在土木工程监控监测方面有着极其方便的作用，并且这些优点在实际工程中运用也证明了光纤传感器的实用性。

2 光纤光栅传感器在施工中的应用-光纤预应力筋

预应力结构的要求通常是通过控制张力来保证。预应力混凝土结构的预应力混凝土的收缩徐变，在使用过程中，热应变、预应力、钢的腐蚀、锚具变形和许多其他因素，将导致预应力损失，预应力混凝土预应力下降，这会使得开裂载荷的降低。对于任何建筑来讲，开裂载荷的降低都会给建筑结构带来灾难性的变化。预应力对于预应力混凝土结构的重要性不言而喻，所以得知预应力的损失和预应力实际的大小对于预应力混凝土结构的安全性是十分重要的。通过计算出预应力损失来是无法精确计算出预应力实际的大小。引起预应力损失的因素有很多，锚具变形、钢筋内缩、摩擦等因素引起的损失可以通过实验计算得出，然而有一部分的损失是无法准确计算的，徐变、松弛等随时间变化的因素。将所有因素相加计算得出的损失结果往往误差十分大，与实际损失相比相差很多。规范《GB-T5224-2014》中，结构钢绞线力学性能中，应力松弛性能，对于初始负荷相当于公称最大力的70%，则松弛率不应大于2.5%。光纤预应力筋是由普通的钢绞线改制而成。用FRP传感筋替代钢绞线中间的钢丝制成的。FRP传感筋是将光纤光栅传感器埋设在FRP筋中，光纤光栅传感器本身及其脆弱很容易就被破坏，FRP筋是由高性能的纤维和基材聚合而成，具有和钢丝一样的抗拉强度且耐腐蚀。将光纤光栅传感器埋设在FRP筋中，形成FRP传感筋，FRP传感筋在与普通钢丝制成钢绞线，形成预应力光纤传感筋。预应力光纤传感筋，不仅能够利用光纤来实现对预应力的监测，同时还没有影响破坏预应力筋本身的作用。

大量的实验中表明包裹铜箔纸以及使用环氧树脂粘接过的光纤光栅钢绞线是可以的替代普通钢绞线的，并且松弛率明显小于2.5%。在光纤光栅钢绞线制作成功的情况下，可以替代普通钢绞线，作为预应力筋使用，并且光纤光栅智能钢绞线可准确的测出预应力混凝土梁在外荷载作用下的预应力筋的应力变化。

光纤光栅钢绞线的制备需要一根普通的钢绞线，去除其中丝，再将去除中丝的钢绞线与FRP-OFBG筋重新捻制。对捻制过程做出细致改变的光纤光栅传感筋，包裹铜箔纸以及使用环氧树脂粘接，使得光线光栅传感筋外围钢丝与纤维筋摩擦增大。

在实际施工中使用光纤预应力筋，我们可以在任何时间准确的测出预应力混凝土梁在外荷载作用下预应力筋的应力变化，可以长期有效的监测该结构的应变，并且判断出该结构的安全性。

3 光纤光栅传感器在施工中的不足

光纤光栅传感器在使用时需要注意防护。是因为纤芯相较于普通结构材质来说更加脆弱，对于机械破坏抵抗能力差；如何在种类繁多的光纤传感器选择与当前工程环境和某些特殊环境相匹配的受力性能，例如在高温高压，强酸强碱的环境下，光纤传感器就必须用特殊的防护材料来保护以减少因为环境带来的性质差异从而使测量的不确定性造成的误差。

光纤光栅传感器材质脆弱，抗机械破坏能力差，使用中需要特别防护。埋入FRP筋的光纤光栅传感器的维修问题。以及光纤光栅传感器的成本较高，如何在不改变其本身的作用的同时降低成本，这将是光纤光栅传感器普及应用的一个关键。

参考文献

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