光纤光栅传感系统在栈桥实时监测中的应用研究

史 向 东

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710000)



光纤光栅传感系统在栈桥实时监测中的应用研究

史 向 东

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710000)

以陕煤柠条塔煤矿运煤栈桥为例，对光纤光栅技术进行了阐述，并介绍了各种光纤传感器的原理,建立了栈桥实时监测系统，确保了栈桥运营的安全性，为栈桥今后的保养与维修提供了依据。

煤矿，栈桥，光纤光栅，实时监测系统

0 引言

随着煤炭行业的发展，煤矿地面出现了大批高度高，跨度大的运煤皮带栈桥。钢结构栈桥由于其自重轻、整体性好、施工速度快的优势，在我国大跨度输煤栈桥中得到广泛应用。输煤栈桥建成后，矿区的高腐蚀环境对其自身产生很大影响，在日常清洗过程中，煤尘里的腐蚀性矿物加快了钢构件及混凝土构件的老化。栈桥在运行过程中，皮带的震动也给栈桥带来疲劳损伤，随着时间的推移，栈桥的整体稳定性及刚度会大大降低，这对煤矿的生产安全造成了很大威胁。因此需要对建成的栈桥进行实时的健康监测，准确掌握栈桥健康状况，及时发现安全隐患，保证煤矿的生产安全。

1 栈桥健康监测系统

栈桥健康监测是指通过在栈桥上安装监测设备，对栈桥的运行情况进行实时监控。通过仪器设备所反映的数据结果分析栈桥整体状况。为栈桥在后期的维修、养护与管理提供科学决策依据[1]。健康监测系统的基本组成如图1所示。

了解栈桥运行情况，应从以下几个方面进行监控[2]：

1)栈桥在静态及动态时的力学状态；2)栈桥在受到冲击荷载情况下的力学状态；3)栈桥在长期侵蚀环境中的状况；4)栈桥所处环境情况。

通过监测设备获取的信息，利用计算软件进行分析，统计报表，得出栈桥维修费用，维修决策，灾害预防的结果。

2 光纤传感器技术

2.1 光纤传感器技术的基本原理

光纤传感器以光纤为媒介[3]，当光纤在受到外界环境变化时，使得光在其中的传输特性发生改变，通过测量光信号来得到改变的物理量的大小，从而计算出所监测物体的状态。光线传感器有很多优点，诸如耐久性好、体积小、质量轻、传输信息量大等。

光纤传感器种类很多，目前用于土木工程中的光纤传感器类型主要有Mach-Zehnder干涉型光纤传感器、Fabry-Perot腔式光纤传感器、光纤布拉格光栅(FBG：Fiber Bragg Grating)传感器等。

光纤F—P应变传感器是一种“点式”传感器，适用于测试结构的局部应力，其原理如图2所示。在光纤中制造一个全密封真空腔，光束入射到腔内时，会在真空腔的两个端面发生反射，并沿原路返回。当结构体受力发生变化时，空腔长度会发生改变，致使两反射光的相位差产生改变，从而就能反映结构的应力状态。

光纤光栅在温度和应力作用下，其折射率和栅格常数将发生变化，反映到光纤光栅的峰值反射波长(或透射波长)会发生移动，这种光纤光栅的峰值反射波长(或透射波长)随外界物理量变化而移动的现象可在传感领域得到应用。

2.2 传感器原理

1)应变传感器原理。

当外力作用在光纤传感器上时，传感器的长度会随之变化，导致光栅周期会发生改变，传感器的有效折射率也随之变化，致使光在传感器中的光程发生变化，从而就能测出应变。

2)温度传感器原理。

当传感器所处环境温度发生变化时，其长度也会发生变化，折射率也会发生变化。

2.3 栈桥监测内容及所用传感器

1)荷载。

包括温度，风，煤炭，地震荷载等。传感器包括：风速仪、强震仪、温度计、压力传感器等。

2)位移监测。

监测栈桥的各部分的静动态位置，包括局部沉降、倾斜，桁架位置变化等。传感器包括位移计，倾角仪等。

3)结构的静动力反应。

监测桥梁的静态应变应力、动态应变应力、加速度等。传感器包括应力应变传感器、加速度传感器等。

4)非结构部件及辅助设施。

包括支座、振动控制设施等。

2.4 应用实例

柠条塔煤矿选煤厂栈桥从1号转载点至装煤仓约2.7 km。栈桥结构主要为型钢桁架—混凝土框架柱封闭式结构如图3a)所示。结构主要采用双角钢或工字型钢作为上部桁架主要受力构件。

栈桥下部混凝土框架柱主要由4支混凝土立柱通过柱间的连系梁连接，形成4肢框架形式，如图3b)所示。

柠条塔输煤栈桥结构长，跨径大，且栈桥在装载仓附近坡度大，栈桥皮带每天运行时间长，栈桥负荷重。另外，栈桥周围环境污染，疲劳损伤等诸多因素会导致栈桥结构安全性、耐久性差。因此，对栈桥进行长期安全监测，通过报警功能，对栈桥结构运营中存在的问题提前进行预警，避免栈桥出现突发事故，减少经济损失，保证栈桥正常运作中的安全性。通过对采集数据的监测分析，可对栈桥结构的承载能力、使用性能进行评价，为同类栈桥今后设计提供参考依据。

柠条塔栈桥全线共有4个转载点，共布置19个监测段，以下以第1监测段为例进行分析。

第1监测段监测数据如表1，表2所示。

表1 第1监测段皮带静止时数据

表2 第1监测段皮带运转时数据

由第1监测段皮带运行时各项数据可以看出，全年皮带运行时横、纵、垂向加速度，钢桁架应力变化，混凝土应力变化及混凝土墩顶加速度整体呈上升趋势，然而，上升幅度较小，整体状况较为平稳。

3 结语

由于桥梁安全运营对社会及经济发展起到至关重要的作用，世界上很多国家都采用很多高新技术来保障桥梁的安全运行。栈桥虽不比大跨度桥梁的复杂，但其安全稳定的运行也至关重要。本文立足光纤光栅监测技术，将光纤传感技术运用于栈桥健康监测中，提高了栈桥在运营期间的安全保障，而且为栈桥状态评估和维修提供数据依据。减小栈桥事故的发生概率，确保栈桥安全稳定的运行。

[1] 邬晓光,徐祖恩.大型桥梁健康监测动态及发展趋势[J].长安大学学报(自然科学版)，2003,23(1):39-42.

[2] 耿 璐,苏进星.桥梁变形监测方法应用研究[J].公路与汽运,2015(3):192-195.

[3] 李爱群,廖长青.桥梁结构健康监测[M].北京：人民交通出版社,2009.

Application research of FBG sensing system in trestle timely monitoring

Shi Xiangdong

(ChinaMineScienceIndustryGroupXi’anAcademyCo.,Ltd,Xi’an710000,China)

Taking Shann coal Ningtiao coal transporting trestle as an example, the paper describes FBG technology, introduces principles of FBG sensors, establishes trestle timely monitoring system, and guarantees the trestle operation safety, which has provided some guidance for trestle maintenance and repairing in future.

coal mine, trestle, FBG(Fiber Bragg Grating), timely monitoring system

2016-11-26

史向东(1989- )，男，工程师

1009-6825(2017)04-0188-02

TD561

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