光纤光栅传感器在斜拉桥索力监测中的应用

覃荷瑛 林勇 姜涌 陈峰

（1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004；2.中国建筑一局（集团）有限公司，北京 100161）

斜拉桥因长期裸露在自然环境中且承受动态荷载，整体结构产生损伤导致索体承载能力下降［1］。索力是评判斜拉桥承载能力是否正常的重要参数之一，采用精准的索力监测方法测量拉索索力是目前桥梁工程研究领域的重点课题。我国现有的主要索力监测方法有千斤顶压力表测定法、压力传感器测定法、电阻应变片测定法［2］、磁通量传感器测定法［3］、频率法［4］。千斤顶压力表测定法与压力传感器测定法简单易行但精度不高，且拉索安装完成后再进行索力测量难度较大，难以进行长期监测；电阻应变片易发生零点漂移；磁通量传感器易磁化拉索，易受电磁干扰而降低测量精度；因拉索索力与其振动频率具有显式关系，频率法基于弦振动特性可以快速确定索力大小，但由于拉索具有一定的抗弯刚度且边界条件比较复杂，对索的参数设置比较麻烦。

光纤光栅传感器是一种新型智能传感元件，凭借体积小、测量精度高、抗电磁干扰能力强、布设简便、稳定性好等优势在桥梁监测领域得到广泛应用。研究人员对光纤光栅传感器在索力监测领域的应用进行了大量的探索。文献［5］提出了一种用光纤光栅基座夹具测试索力的方法，结合振动频率法，验证了对运营中预应力桥梁进行索力监测的可行性；文献［6］根据裸光纤光栅对应变的灵敏度大于对压力的灵敏度这一特点，提出了一种两端夹持式的光纤光栅索力传感器，通过测量锚头表面应变间接测量索力，测量效果良好；文献［7］用碳纤维增强复合材料对光纤光栅传感器进行封装，并通过调整碳纤维与环氧树脂的配合比调整传感器的刚度，封装效果良好，提高了索力监测精度；文献［8］提出了一种基于弦振动原理的光纤光栅振动传感器，可将监测到的振动频率转换为索力，成功应用于通瓦门大桥的索力监测；文献［9］研制了一种新型温度自补偿光纤光栅应变传感器，并安装在拉索的锚具上进行索力测量，大幅度降低了温度的影响，达到了温度自补偿的目的。

为解决传感器存活率低、易脱落、监测量程不足等问题，本文提出一种在凹槽内嵌封装光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）制成自感知钢绞线的技术，并以湖南省衡阳市东洲湘江斜拉桥为工程背景，对拉索索力进行了监测。该技术可实现传感器与钢绞线的同步变形，对其应变进行精准监测。通过对比分析监测数据和理论值，验证了采用了该技术封装的FBG 传感器对斜拉桥索力监测的准确性，为光纤光栅传感器在拉索索力监测中的应用提供技术支撑。

1 FBG应变传感理论

FBG 传感器通过外界变化参量对FBG 中心波长的调制来实现传感。根据FBG 衍射原理，当一束光进入光栅时，只有某种特定波长的光被反射，其余波长的光无损穿过FBG继续向前传输［10］，如图1所示。

图1 光纤光栅结构及传光原理

被反射的光波波峰处波长λ为

式中：n为光纤纤芯对自由空间中心波长的折射率；Λ为相位掩膜光栅的周期。

利用光纤光栅解调仪可测得FBG 传感器的初始波长λ0。当FBG 传感器感知的应变εg发生变化时，弹光效应会造成光栅折射率改变和周期伸缩。此时利用光纤光栅解调仪测得FBG 传感器的中心波长λB。λB与λ0之差即为 FBG 的波长漂移量Δλ。Δλ与εg的关系为

式中：μ为泊松比；P11，P12为光弹效应系数；Kε为 FBG应变灵敏度。

FBG 应变εg与监测基体（钢绞线）应变εm之间由应变传递率β关联［11］，有

将式（3）代入式（2），得

式中：为FBG监测应变灵敏度，可通过标定确定。

监测基体的应变εm与索力F的关系为

式中：E，A分别为监测基体的弹性模量、横截面积。

将式（5）代入式（4），可得△λ和F的关系

基于上述理论，本文研制了凹槽内嵌式自感知钢绞线（以下简称自感知钢绞线）。自感知钢绞线在外荷载作用下产生应变，传递给嵌入钢绞线中心丝的FBG 传感器，引起λB的变化。标定时，利用已知的F及Δλ，由式（6）可算得；使用时，根据标定时算得的及FBG 传感器监测到的Δλ，由式（6）算得F，实现对拉索索力的监测。

2 自感知钢绞线的研制与标定

2.1 研制过程

选用 1×7 标准型钢绞线，A= 140 mm2；抗拉强度2 000 MPa；屈服荷载250 kN，经过破断力试验后极限承载能力可达280 kN。选用带宽3 dB 的FBG，反射率99.64%；光纤光栅解调仪采用Agilent86142B 光谱仪，采样频率为3 HZ，波长范围为1 525～1 560 nm，波长精度为2 pm，分辨率为1 pm。

在钢绞线的中心丝上设置深0.4 mm、宽1.0 mm的凹槽；对中心丝进行张拉，在持荷状态下用环氧树脂将FBG 粘贴于凹槽内，封装时须在每个光栅及其两端20 mm 范围内均匀覆盖环氧树脂；待环氧树脂达到足够强度后卸载，制成自感知中心丝，再与外丝扭绞成自感知钢绞线（图2、图3）。该工艺可解决光纤光栅易脱落、存活率低等问题，并可实现大量程监测。

图2 自感知钢绞线实物

图3 自感知钢绞线横纵截面示意

2.2 标定试验

为保证监测数据的可靠性，须对自感知钢绞线进行力学性能试验，评判其对实际工程的适用性。

标定所需的主要设备包括穿心型千斤顶、油泵、张拉台座、叉车、锚具。组装设备时，将2 根横梁穿进定位钢板，用叉车将台座两端定位钢板撑起，使其沿横梁移动到合适长度再放下；使千斤顶贴近台座一端的定位钢板，并与油泵连接好；将需要标定的自感知钢绞线穿过两端定位钢板和千斤顶中心并处于三孔正中心，两端预留出一定长度的光纤来进行光纤与跳线的熔接，确保FBG 传感器能读取数据；用锚具对自感知钢绞线两端进行锚固；将熔接好的FBG 传感器与解调仪连接，进行数据的读取。标定现场见图4。

图4 自感知钢绞线张拉标定现场

标定步骤为：

1）记录自感知钢绞线未经张拉时对应的波长，作为初始波长；

2）将自感知钢绞线张拉至约5 kN进行预紧；

3）以28 kN 为一级进行加载，最大加载到168 kN（钢绞线极限承载能力的60%），加载速度控制在1 000 MP/min 内，每一级加载过程持荷5 min，记录对应的波长；

4）记录完加载168 kN对应的波长后，持荷15 min，观察光纤光栅传感器是否出现信号异常甚至失效等情况，确认无误后，逐级卸载至0。

将步骤2—步骤4 重复操作5 次，取平均值进行标定计算。抽取12 根自感知钢绞线分成3 组进行标定，每组4根。试验结果及拟合曲线见图5。

图5 自感知钢绞线标定曲线

由图5 可知：各拟合曲线的线性相关系数均大于99.9%，标定数据线性良好，无迟滞现象；Δλ-εm直线的斜率即为FBG监测应变灵敏度，见表1。

表1 自感知钢绞线FBG监测应变灵敏度 nm

由表1 可知，标定的在1 190～1 210 nm，变化量控制在20 nm以内，变化非常小，说明FBG传感器监测稳定性较好。一般裸FBG 传感器极限应变约为4.50×10-3。根据标定数据可算得F=168 kN 时自感知钢绞线的应变达6.15×10-3，提高了36%，且线性相关度高达99.99%，可实现对钢绞线大应变的监测。

3 工程应用

3.1 工程概况

东洲湘江大桥（图6）位于湘江东洲岛上游约380 m处，连接湘江西岸的雁峰区和东岸的珠晖区。主桥长974 m，为单索面双排索三塔四跨矮塔斜拉桥。3 个主墩（10#，11#，12#）中，11#墩为塔梁墩固结；10#和12#墩设支座，塔梁固结。3个索塔为独柱式钢筋混凝土结构。斜拉索为单根可换式矮塔斜拉桥拉索，是我国首次尝试以高强度（2 000 MPa）钢绞线作为斜拉索的大桥。

图6 东洲湘江大桥

每个索塔穿有16对索（自下而上编号依次为S01—S16），全部采用高强度单丝涂覆环氧涂层钢绞线，自感知钢绞线穿入其中，如图7所示。

图7 斜拉索横截面示意

施工时，斜拉索穿过主塔索鞍，两端张拉。由于施工阶段须对全桥96根斜拉索两端索力进行监测，每根索两端各有1个FBG传感器，安装位置见图8。

图8 FBG传感器安装位置

3.2 监测分析

该工程斜拉索自2018年4月开始张拉，于2018年12 月张拉完毕。考虑到桥体监测周期长，拉索数目较多且监测数据量庞大，选取上文标定的12根自感知钢绞线所在拉索进行分析。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ组自感知钢绞线分别安装在 12#塔 S14 索（12-S14CG）、11#塔 S13 索（11-S13CG）、10#塔S15 索（10-S15CG）上，每组1—4 号的安装位置分别为索塔东侧上游、东侧下游、西侧上游、西侧下游，代号依次为EU，ED，WU，WD。这部分拉索于2018 年10 月底张拉完成，故选取2018 年11 月至2019年1月的索力监测数据进行分析，见图9。

图9 自感知钢绞线索力监测曲线

由图9可知，监测周期内各测点索力差值（索力最大值和最小值之差）最小为2.2 kN，最大为8.3 kN，索力整体变化不大。

随机选取某2 天的索力监测值，与索力理论值进行对比并计算其误差比，见表2—表4。其中，索力理论值根据迈达斯软件计算得到；误差比=（索力监测值-索力理论值）/索力理论值×100%。

从表2—表4可知：索力监测值与索力理论值最大误差比仅为2.80%，小于JTG/T D65-01—2007《公路斜拉桥设计细则》规定的3.00%，说明FBG 传感器监测结果具有良好的精确性；对于同一根索，测量温差大于10 ℃时，其索力差值较小，最大仅3 kN，说明在正常环境温度范围内FBG传感器具有良好的可靠性。

表2 12-S14CG索力监测值与索力理论值对比

表3 11-S13CG索力监测值与索力理论值对比

表4 10-S15CG索力监测值与索力理论值对比

4 结论

通过在钢绞线中心丝上设置凹槽嵌入光纤布拉格光栅（FBG）传感器，研制了凹槽内嵌式自感知钢绞线，应用于衡阳东洲湘江大桥斜拉索工程，对拉索索力进行监测并对某监测周期内的索力监测值进行分析。得出结论如下：

1）该FBG传感器量程大，可以测量0～168 kN的索力，高达钢绞线极限承载力的65%，大于桥梁索力的正常范围，且线性相关达99.99%以上；灵敏度的变化非常小，在20 nm 以内，监测稳定性良好；测得的钢绞线应变达6.15×10-3，比裸FBG 传感器提高了36%，有效解决了拉索服役全寿命过程监测困难的问题。

2）该FBG 传感器实时监测下，东洲湘江大桥斜拉索在监测周期内索力变化不大，单根索的索力差值最大为8.7 kN，在允许误差范围内；随机抽取某2天索力监测值与索力理论值进行对比，最大误差比为2.80%，小于设计要求的3.00%；测量温差大于10 ℃时单根索的索力差值较小，最大仅3 kN。该封装方式下的FBG传感器可以精准检测索力。