螺旋倾斜式光纤光栅传感器监测钢绞线应变方法研究

覃荷瑛，沈全喜，钟英杰

(1.广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林 541004；2.桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004)

预应力混凝土、桥梁拉索(如斜拉索 、吊杆和系杆)、缆索等索体结构中，核心承重构件均为钢绞线，其造价约为桥梁整体的25%～30%。由于桥梁的构造设计、环境腐蚀以及服役期间处于高应力应变状态，钢绞线容易发生应力损失[1]，而更换索体的费用高昂，也会造成部分完好索体的浪费。鉴于此，钢绞线进行健康监测已经成为工程界亟待解决的问题。

通过拉索应力评估工程的安全情况是便捷、高效的方法。传统的应力监测方法[2-3]主要包括频率法、磁通量法、电测式传感器(电阻应变计式、钢弦式等)测量法，但对于长度较短的拉索，频率法的测量精度很难满足要求，而对于已服役构件，磁通量法难以获得测量零点，而技术相对成熟的电测式传感器易受温度、湿度等的影响，无法满足对工程进行长期在线健康监测的要求。

光纤光栅(FBG)传感器是近期发展起来的一种智能新型传感元件[4-5]。与传统传感器相比较，FBG传感器具有显著的优势，如抗电磁干扰、耐腐蚀、能够准分布布置、构造简单等。光纤光栅是以SiO2为主要原料，在施工过程中容易发生脆断。光纤光栅的极限拉应变约为 4 500×10-6，而对于工程中的拉索，其极限拉应变能达到 8 000×10-6。显然，如果直接将光纤光栅耦合在拉索上，不能满足拉索的全寿命监测。为了解决上述难题，本文提出将光纤光栅传感器以螺旋倾斜的方式耦合在钢绞线中心丝上，并通过静载试验研究其实际效果。

1 光纤光栅传感器基本原理

当结构的应变发生变化时，FBG传感器反射周期也会随之改变。其波长变化量Δλ[6-7]与轴向应变εFBG之间的关系为

(1)

式中：n为折射率；P11,P12为弹光效应系数；ν为泊松比；λ为波长；kFBG为应变灵敏度。

2 螺旋倾斜复合技术的理论分析

采用钢绞线中心丝作为基体材料研究螺旋倾斜复合技术[8]。裸光纤光栅与中心丝以螺旋倾斜方式粘贴，如图1所示。

图1 光纤光栅螺旋示意

钢绞线中心丝的轴向拉伸应变ε与εFBG的关系为

εFBG=(cos2θ-νsin2θ)ε=kε

(2)

式中：θ为光纤光栅倾斜角度；k为FBG传感器应变与基体应变比。

假定光栅初始长度为L1，拉伸后长度为L2，则

εFBG=(L2-L1)/L1

(3)

而单位螺距的光栅应变εfiber为

εfiber=(S2-S1)/S1

(4)

式中：S1，S2分别为光栅拉伸前后单位螺距内光栅的长度。

由于εfiber=εFBG，可由单位螺距内光栅的应变来取代基体材料的应变。由图1(b)可得变形前边长a1和b1关系为

式中：h为单位螺距的水平长度；r为内部中心丝半径。

钢绞线变形后，其r与h都有改变，并且它们的轴向拉伸应变ε与横向应变ε′关系式为

式中：Δh为单位螺距变化量;Δr为内部中心丝半径变化量。

钢绞线变形后，两边长变化为a2和b2，即

a2=h(1+ε)=a1(1+ε)=S1cosθ(1+ε)

(9)

b2=2πr(1-νε)=b1(1-νε)=S1sinθ(1-νε)

(10)

依据几何关系，变形后S2为

(11)

联立式(4)、式(11)可得

由式(12)可知，光纤光栅应变εFBG与钢绞线应变ε、泊松比ν和倾斜螺旋角θ满足一定的函数关系。

取一微元段分析，并将式(2)代入式(1)可得

(13)

3 自感知钢绞线张拉试验

3.1 试件设计及加载

图2 中心丝的螺旋凹槽

在内部中心丝上设置深0.5 mm、宽1.0 mm的螺旋凹槽，倾斜倾角取为0°和27°，如图2所示。将FBG传感器封装在凹槽中，待粘贴牢固后，对钢绞线进行加载试验。

试验采用1×7的1860级钢绞线，外径为15.2 mm，光栅分析仪型号为Agilent 86142B光谱仪，波长范围为 1 525～1 565 nm，采样频率为1 Hz，分辨率为1 pm，张拉台座型号为YCM100B-200穿心千斤顶张拉台，如图3 所示。

图3 自感知钢绞线张拉试验

以倾角为参数，分别设计2组(共6根)试样进行研究。0°倾角作为Ⅰ组；27°倾角作为Ⅱ组。

试验加载：①首先记录FBG传感器的原始波长λ0；②预加10 kN荷载使钢绞线与锚具夹持固定，并设置千分表记录钢绞线的伸长量；③以10 kN为单位，逐级施加荷载，持续加载5 min，并记录每级荷载相应的千分表读数和波长；④当FBG传感器失效时，记录光栅破坏时的荷载、钢绞线伸长量和波长变化值，最后加载到钢绞线断裂，记录极限荷载。

3.2 试验结果及分析

表1 试验数据

试验所得FBG传感器的应变灵敏度实测值与理论值的关系见表2。

表2 FBG传感器应变灵敏度实测值与理论值的关系

由表1和表2可知:①光栅对钢绞线的应变具有良好的跟随性。②FBG传感器粘贴角度为0°时，其应变灵敏度为0.001 20 nm /10-6，光栅的应变与钢绞线的应变相同;当光栅断裂时,其波长变化7 nm左右，FBG传感器能监测的应变值大概在 6 000× 10-6左右，且光栅的极限承载力与钢绞线的极限破断力之比约为0.62。③FBG传感器粘贴角度为27°时，其应变灵敏度减小为0.000 88 nm/ 10-6;当光栅断裂时，其波长变化也近乎7 nm，此时FBG传感器监测的应变值已经达到 8 000× 10-6，且光栅的极限承载力与钢绞线的极限破断力之比约为0.87。④随着FBG传感器倾斜角度的增大，灵敏度随之降低，其监测量程也逐渐增大，能满足使用要求。

4 结论

1)通过理论分析和试验研究，提出一种降低FBG传感器灵敏度的新方法——螺旋倾斜减敏技术。从理论的角度证明了螺旋倾斜可以降低FBG传感器应变灵敏度，而试验表明将光纤光栅与钢绞线进行耦合，能够对钢绞线的张拉应变进行准确的监测，并且具有很好的线性相关性，可实现对钢绞线受力状态的正确评估。

2)螺旋倾斜式FBG传感器倾斜27°时比0°时所能监测的应变灵敏度提高了30%，而且FBG传感器所能跟随的极限破断力也相应提高了38%。

3)采用螺旋倾斜式光栅复合技术，降低了光纤光栅所承受的拉应变，从而降低了其应变灵敏度，实现光纤光栅在小拉力的情况下对大应变的测量，满足结构全寿命周期监测，此光纤光栅减敏技术能适应大变形构件，该研究也为其他监测问题(如拉索、预应力筋等)提出了新的思路。