光纤Bragg光栅应变传感器在桥梁结构监测中的应用

张矿伟　张少杰　赵晓霞等

摘要： 为了更准确了解桥梁结构变化情况，提出了一种新的检测方法。采用串联式组网方法，用光纤Bragg光栅（FBG）表面式应变传感器，对大桥左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测。对裂缝存在区域的20个监测断面进行近一年的监测结果表明，对温度（测量记录最大温差6.4 ℃）进行补偿后，光纤Bragg光栅应变传感器的应变在正常范围内，表明在监测期桥梁结构稳定无异常变化。

关键词： 光纤Bragg光栅； 应变传感器； 桥梁监测

中图分类号： TN 247； TP 212文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.004

引言

桥梁安全关系着人们的生命安全和社会经济活动[1]，建成的桥梁结构应具有良好的承载性、耐久性、满足使用寿命。一般重要的大型桥梁结构服役期长达几十年，甚至上百年，在疲劳、腐蚀与材料老化等不利因素的共同作用下，不可避免地产生损伤积累。云南省盆地河谷、山地、丘陵高原相间分布，独特的立体气候类型（气候要素的垂直变化显著），位于亚欧板块与印度板块碰撞带的东缘附近（地震活动频繁和强烈），这些复杂的地形、地貌、地质、水文、气候等条件，决定了云南省的桥梁在使用中出现衬砌开裂、错台、掉块、渗水等病害的几率更高[24]，危及行车安全，严重的甚至被迫关闭交通。因此，对桥梁结构监测，及时发现初期病害，及时预警具有重要意义。

本文把光纤Bragg光栅表面式应变传感器应用于桥梁结构健康监测，对云南某桥梁左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测，掌握桥梁二衬的受力与变形情况，分析处理测量数据，预测结构变形趋势，评估桥梁结构的安全水平，为处置提供关键技术参数。

1光纤Bragg光栅应变传感特性与技术参数

建筑物以及道路等基础结构的力学参数测量、状态监测中得到应用[89]。其中，应用光纤光栅传感器最多的领域之一当数桥梁结构的健康监测。

本次监测的桥梁为云南省具有最大的预应力钢筋混凝土拱桥。由于该桥采用新的设计理念、方法和成桥工艺，且跨度大、施工复杂、交通流量大、超载车辆多和环境气候特殊等原因，必然会造成大桥轻微的结构松散和有少量裂隙。施工中，桥梁的左洞右侧拱部即出现宽度为1～3 mm的不规则裂纹，如图2所示。

通过测量和分析桥梁二衬的受力与变形情况，为进一步施工处置提供技术支持；预测结构变形趋势，评估桥梁结构的安全水平，及时发现初期病害，及时预警，保障今后安全畅通。

2.2传感器布设及传感网络结构

（1）传感器布设

为对桥梁左线K6+130～+302（K6为定标桩号，桩号后的正数是离该桩的距离，单位为米）裂缝区域进行长期监测，设计在K6+120～+310的范围内间隔1 m布设一个监测断面，总计20个监测断面，每个监测断面布设7个光纤光栅表面应变传感器和1个温度补偿传感器，如图3所示。

3结论

本文应用光纤Bragg光栅表面式应变传感器，对云南某桥梁左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测分析，以了解桥梁二衬的受力与变形情况，为进一步施工处置提供技术支持；通过量测分析预测结构变形趋势，评估桥梁结构的安全水平，及时发现初期病害，及时预警，保障今后运营安全。历经春夏秋冬，跨越雨、旱两季，在近一年时间内对裂缝存在区域的20个监测断面进行监测，监测结果表明，光纤光栅应变传感器的应变量在正常范围内，反映在监测期，桥梁结构稳定无异常变化。

参考文献：

[1]CAO M，CHEN Y，WANG D D，et al.Twopipe fiber Bragg grating temperature sensor applied in cable trench and cable pit[J].Procedia Engineering，2011，15：710714.

[2]李志全，白志华，王会波，等.分布式光纤传感器多点温度测量的研究[J].光学仪器，2007，29（6）：811.

[3]马豪豪，刘保健，翁效林，等.光纤Bragg光栅传感器技术在隧道模型试验中应用[J].岩土力学，2012，11（33）：185190.

[4]LI C.FBG：Principles，techniques and applications[M].Beijing：Science Publishing house，2005：114116.

[5]李薇，侯睿，杨文俊，等.基于温度减敏的光纤Bragg光栅应变传感器[J].仪表技术与传感器，2013，5（6）：14.

[6]李川，由静，李英娜，等.双套管式光纤Bragg光栅温度传感器[J].光学技术，2010，36（2）：14.

[7]胡宁.FBG应变传感器在隧道长期健康监测中的应用[J].交通科技，2009，18（3）：9194.

[8]姜德生，梁磊，周雪芳，等.光纤Bragg光栅传感器在冷饭盒大桥的应用[J].交通科技，2003，6（3）：13.

[9]李晨.FBG传感器在隧道工程结构检测中的应用研究[D].昆明：昆明理工大学，2008.

[10]丁勇，施斌，隋海波.隧道结构健康监测系统与光纤传感技术[J].防灾减灾工程学报，2005：25（4）：375380.

[11]杨斌，田杰，江键武，等.基于全光纤传感技术的电缆健康状态监测系统的研究[J].光学仪器，2012：34（6）：7175.

摘要： 为了更准确了解桥梁结构变化情况，提出了一种新的检测方法。采用串联式组网方法，用光纤Bragg光栅（FBG）表面式应变传感器，对大桥左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测。对裂缝存在区域的20个监测断面进行近一年的监测结果表明，对温度（测量记录最大温差6.4 ℃）进行补偿后，光纤Bragg光栅应变传感器的应变在正常范围内，表明在监测期桥梁结构稳定无异常变化。

关键词： 光纤Bragg光栅； 应变传感器； 桥梁监测

中图分类号： TN 247； TP 212文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.004

引言

桥梁安全关系着人们的生命安全和社会经济活动[1]，建成的桥梁结构应具有良好的承载性、耐久性、满足使用寿命。一般重要的大型桥梁结构服役期长达几十年，甚至上百年，在疲劳、腐蚀与材料老化等不利因素的共同作用下，不可避免地产生损伤积累。云南省盆地河谷、山地、丘陵高原相间分布，独特的立体气候类型（气候要素的垂直变化显著），位于亚欧板块与印度板块碰撞带的东缘附近（地震活动频繁和强烈），这些复杂的地形、地貌、地质、水文、气候等条件，决定了云南省的桥梁在使用中出现衬砌开裂、错台、掉块、渗水等病害的几率更高[24]，危及行车安全，严重的甚至被迫关闭交通。因此，对桥梁结构监测，及时发现初期病害，及时预警具有重要意义。

本文把光纤Bragg光栅表面式应变传感器应用于桥梁结构健康监测，对云南某桥梁左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测，掌握桥梁二衬的受力与变形情况，分析处理测量数据，预测结构变形趋势，评估桥梁结构的安全水平，为处置提供关键技术参数。

1光纤Bragg光栅应变传感特性与技术参数

建筑物以及道路等基础结构的力学参数测量、状态监测中得到应用[89]。其中，应用光纤光栅传感器最多的领域之一当数桥梁结构的健康监测。

本次监测的桥梁为云南省具有最大的预应力钢筋混凝土拱桥。由于该桥采用新的设计理念、方法和成桥工艺，且跨度大、施工复杂、交通流量大、超载车辆多和环境气候特殊等原因，必然会造成大桥轻微的结构松散和有少量裂隙。施工中，桥梁的左洞右侧拱部即出现宽度为1～3 mm的不规则裂纹，如图2所示。

通过测量和分析桥梁二衬的受力与变形情况，为进一步施工处置提供技术支持；预测结构变形趋势，评估桥梁结构的安全水平，及时发现初期病害，及时预警，保障今后安全畅通。

2.2传感器布设及传感网络结构

（1）传感器布设

为对桥梁左线K6+130～+302（K6为定标桩号，桩号后的正数是离该桩的距离，单位为米）裂缝区域进行长期监测，设计在K6+120～+310的范围内间隔1 m布设一个监测断面，总计20个监测断面，每个监测断面布设7个光纤光栅表面应变传感器和1个温度补偿传感器，如图3所示。

3结论

本文应用光纤Bragg光栅表面式应变传感器，对云南某桥梁左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测分析，以了解桥梁二衬的受力与变形情况，为进一步施工处置提供技术支持；通过量测分析预测结构变形趋势，评估桥梁结构的安全水平，及时发现初期病害，及时预警，保障今后运营安全。历经春夏秋冬，跨越雨、旱两季，在近一年时间内对裂缝存在区域的20个监测断面进行监测，监测结果表明，光纤光栅应变传感器的应变量在正常范围内，反映在监测期，桥梁结构稳定无异常变化。

参考文献：

[1]CAO M，CHEN Y，WANG D D，et al.Twopipe fiber Bragg grating temperature sensor applied in cable trench and cable pit[J].Procedia Engineering，2011，15：710714.

[2]李志全，白志华，王会波，等.分布式光纤传感器多点温度测量的研究[J].光学仪器，2007，29（6）：811.

[3]马豪豪，刘保健，翁效林，等.光纤Bragg光栅传感器技术在隧道模型试验中应用[J].岩土力学，2012，11（33）：185190.

[4]LI C.FBG：Principles，techniques and applications[M].Beijing：Science Publishing house，2005：114116.

[5]李薇，侯睿，杨文俊，等.基于温度减敏的光纤Bragg光栅应变传感器[J].仪表技术与传感器，2013，5（6）：14.

[6]李川，由静，李英娜，等.双套管式光纤Bragg光栅温度传感器[J].光学技术，2010，36（2）：14.

[7]胡宁.FBG应变传感器在隧道长期健康监测中的应用[J].交通科技，2009，18（3）：9194.

[8]姜德生，梁磊，周雪芳，等.光纤Bragg光栅传感器在冷饭盒大桥的应用[J].交通科技，2003，6（3）：13.

[9]李晨.FBG传感器在隧道工程结构检测中的应用研究[D].昆明：昆明理工大学，2008.

[10]丁勇，施斌，隋海波.隧道结构健康监测系统与光纤传感技术[J].防灾减灾工程学报，2005：25（4）：375380.

[11]杨斌，田杰，江键武，等.基于全光纤传感技术的电缆健康状态监测系统的研究[J].光学仪器，2012：34（6）：7175.

摘要： 为了更准确了解桥梁结构变化情况，提出了一种新的检测方法。采用串联式组网方法，用光纤Bragg光栅（FBG）表面式应变传感器，对大桥左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测。对裂缝存在区域的20个监测断面进行近一年的监测结果表明，对温度（测量记录最大温差6.4 ℃）进行补偿后，光纤Bragg光栅应变传感器的应变在正常范围内，表明在监测期桥梁结构稳定无异常变化。

关键词： 光纤Bragg光栅； 应变传感器； 桥梁监测

中图分类号： TN 247； TP 212文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.004

引言

桥梁安全关系着人们的生命安全和社会经济活动[1]，建成的桥梁结构应具有良好的承载性、耐久性、满足使用寿命。一般重要的大型桥梁结构服役期长达几十年，甚至上百年，在疲劳、腐蚀与材料老化等不利因素的共同作用下，不可避免地产生损伤积累。云南省盆地河谷、山地、丘陵高原相间分布，独特的立体气候类型（气候要素的垂直变化显著），位于亚欧板块与印度板块碰撞带的东缘附近（地震活动频繁和强烈），这些复杂的地形、地貌、地质、水文、气候等条件，决定了云南省的桥梁在使用中出现衬砌开裂、错台、掉块、渗水等病害的几率更高[24]，危及行车安全，严重的甚至被迫关闭交通。因此，对桥梁结构监测，及时发现初期病害，及时预警具有重要意义。

本文把光纤Bragg光栅表面式应变传感器应用于桥梁结构健康监测，对云南某桥梁左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测，掌握桥梁二衬的受力与变形情况，分析处理测量数据，预测结构变形趋势，评估桥梁结构的安全水平，为处置提供关键技术参数。

1光纤Bragg光栅应变传感特性与技术参数

建筑物以及道路等基础结构的力学参数测量、状态监测中得到应用[89]。其中，应用光纤光栅传感器最多的领域之一当数桥梁结构的健康监测。

本次监测的桥梁为云南省具有最大的预应力钢筋混凝土拱桥。由于该桥采用新的设计理念、方法和成桥工艺，且跨度大、施工复杂、交通流量大、超载车辆多和环境气候特殊等原因，必然会造成大桥轻微的结构松散和有少量裂隙。施工中，桥梁的左洞右侧拱部即出现宽度为1～3 mm的不规则裂纹，如图2所示。

通过测量和分析桥梁二衬的受力与变形情况，为进一步施工处置提供技术支持；预测结构变形趋势，评估桥梁结构的安全水平，及时发现初期病害，及时预警，保障今后安全畅通。

2.2传感器布设及传感网络结构

（1）传感器布设

为对桥梁左线K6+130～+302（K6为定标桩号，桩号后的正数是离该桩的距离，单位为米）裂缝区域进行长期监测，设计在K6+120～+310的范围内间隔1 m布设一个监测断面，总计20个监测断面，每个监测断面布设7个光纤光栅表面应变传感器和1个温度补偿传感器，如图3所示。

3结论

本文应用光纤Bragg光栅表面式应变传感器，对云南某桥梁左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测分析，以了解桥梁二衬的受力与变形情况，为进一步施工处置提供技术支持；通过量测分析预测结构变形趋势，评估桥梁结构的安全水平，及时发现初期病害，及时预警，保障今后运营安全。历经春夏秋冬，跨越雨、旱两季，在近一年时间内对裂缝存在区域的20个监测断面进行监测，监测结果表明，光纤光栅应变传感器的应变量在正常范围内，反映在监测期，桥梁结构稳定无异常变化。

参考文献：

[1]CAO M，CHEN Y，WANG D D，et al.Twopipe fiber Bragg grating temperature sensor applied in cable trench and cable pit[J].Procedia Engineering，2011，15：710714.

[2]李志全，白志华，王会波，等.分布式光纤传感器多点温度测量的研究[J].光学仪器，2007，29（6）：811.

[3]马豪豪，刘保健，翁效林，等.光纤Bragg光栅传感器技术在隧道模型试验中应用[J].岩土力学，2012，11（33）：185190.

[4]LI C.FBG：Principles，techniques and applications[M].Beijing：Science Publishing house，2005：114116.

[5]李薇，侯睿，杨文俊，等.基于温度减敏的光纤Bragg光栅应变传感器[J].仪表技术与传感器，2013，5（6）：14.

[6]李川，由静，李英娜，等.双套管式光纤Bragg光栅温度传感器[J].光学技术，2010，36（2）：14.

[7]胡宁.FBG应变传感器在隧道长期健康监测中的应用[J].交通科技，2009，18（3）：9194.

[8]姜德生，梁磊，周雪芳，等.光纤Bragg光栅传感器在冷饭盒大桥的应用[J].交通科技，2003，6（3）：13.

[9]李晨.FBG传感器在隧道工程结构检测中的应用研究[D].昆明：昆明理工大学，2008.

[10]丁勇，施斌，隋海波.隧道结构健康监测系统与光纤传感技术[J].防灾减灾工程学报，2005：25（4）：375380.

[11]杨斌，田杰，江键武，等.基于全光纤传感技术的电缆健康状态监测系统的研究[J].光学仪器，2012：34（6）：7175.