BOTDA 在城市角钢结构变形监测中的应用研究

于德亮，李志远

（1.兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿，山东 济宁 272102；2.山东科技大学，山东 青岛 266000）

0 引言

钢结构以其刚度强、稳定性高、耐久性能良好等显著优点广泛应用于交通、建筑以及各种大型工程中，在城市建设中起着重要作用［1］。在荷载、腐蚀、氧化、材料老化等因素的作用之下，钢结构将发生各种变形，从而发生断裂、倒塌等事故。因此，对钢结构进行形变监测及健康性能评估是非常必要的。

传统的结构挠度监测主要分为机械式测量法、光学测量法和电机自动测量法三大类。机械式测量法主要有百分表测量法、悬锤测量法；光学测量法主要有高精度水准仪、全站仪和三维激光扫描技术［2］；电机自动测量法主要有倾角仪测量法、连通管式测量法和 GPS 技术。传统结构应变监测主要有机测法和电测法两大类。机测法是指采用诸如双杠杆应变仪、手持应变仪、三维激光扫描仪［3］等机械式仪表进行监测，具有操作简单、精度不高等特点。电测法是将应变转换成电量的变化。通过量测电量的变化测得应变的变化，如电阻应变片，该方法操作复杂但精度高。

1 理论方法

分布式光纤感测技术（Distributed Fiber Optic Sensing，简称 DFOS），伴随着光导纤维及光纤通信技术发展起来，具有测试距离长、性价比高、分布式不漏监、抗电磁干扰、抗腐蚀、高灵敏度等优点，可用于桥梁、隧道、矿山等工程实时安全监测，对滑坡、线路损伤等灾害预报，对石化管线、桥梁等进行监控。目前该技术主要包括基于瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射 3 种散射的分布式光纤传感技术。彭映成等［4］介绍了预抽运脉冲 BOTDA（PPP-BOTDA）与差分脉冲对 BOTDA（DPP-BOTDA）这两种可提高空间分辨率、测量精度与信噪比（SNR）的新技术；介绍了利用保偏光纤（PMF）和光子晶体光纤（PCF）的特性同时测量温度与应变的技术。李嘉琪［5］针对 BOTDA 技术的测量时间较长和噪声较大的问题，利用 labVIEW 和 MATLAB 相结合实现此技术进行了改进。高俊启等［6］利用 BOTDR 光纤传感技术进行钢筋混凝土简支梁验，得出可以监测试验梁的应变，并可识别梁的结构性破坏，可以应用于桥梁的健康监测。颜永恒［7］以工字钢为例，进行了分布式光纤受弯构件变形监测技术研究，可用于结构应变监测、结构挠度监测、结构抗弯刚度评估。

2 角钢模型试验

2.1 实验原理

光时域布里渊分析（BOTDA）由Horiguchi 于1989 年提出。BOTDA 的测量原理是在光纤两端分别输入脉冲光和连续探测光。根据激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中含有各种杂质，导致激光和光纤分子出现相互作用，从而产生布里渊散射光。依据布里渊散射光的频率偏移，从而获取被测物理量（应变、温度）的大小、时间及空间信息。布里渊频移变化量与温度、应变存在线性关系，如式（1）所示。

式中：Cν，ε、Cν，T分别表示应变和温度变化系数，与入射光波波长有关。

2.2 实验准备

在角钢的三个边缘分别敷设三根光纤，用以分析角钢弯曲变形时其结构变形的特点。通过环氧树脂软胶将光纤紧密粘结在钢结构表面，并放置一天，保证光纤与角钢粘结部位应变同步。分布式光纤现场完成图如图1 所示。

图1 模型示意图

将敷设好光纤的角钢两端分别安置在支座上，可以绕支座转动，中间悬空，构成一简支梁。此时角钢只受自重与两端作用力，设此状态为应力初始状态，通过在简支梁上任意点施加作用力都会使简支梁上载荷发生变化，从而产生弯曲变形。分布式光纤传感器是通过测量布里渊频移量来测量变化值，而温度变化和应变都会引起布里渊频移变化。本实验是在实验室内进行，同时初始状态到施加力状态，时间间隔在1 h 之内，温度基本没有变化，因此布里渊频移量为应变引起的。

2.3 实验内容

本次实验包括两个部分：①裸光纤、紧套光纤对比，实验外力使用 m=10 kg 的铅块，放置在中间位置处；②采用裸光纤，采用 10 cm（1 ns 脉冲宽度）、50 cm（5 ns 脉冲宽度）空间分辨率对比分析，实验外力使用 m=10 kg 的铅块，放置在中间位置处。

本次实验采用 DSTS-BOTDA 分布式光纤应变温度分析仪，如图2 所示。

图2 DSTS-BOTDA 设备

3 实验数据分析

3.1 裸光纤与紧套光纤应变监测分析

为分析不同类型光纤对钢结构应变监测效果情况，采用裸光纤、紧套光纤两种类型进行了对比分析，图3 为裸光纤、紧套光纤应变监测对比情况。从图中可以看出：在同等情况下，裸光纤与紧套光纤相比，裸光纤测得应变数值量较大，因为裸光纤是一次套塑，紧套光纤是二次套塑，所以裸光纤与钢结构贴合更密切，钢结构变形更好地传递到裸光纤，应变值更大，体现了在反映钢结构变形方面，裸光纤比紧套光纤更适合作为分布式光纤传感器。

图3 裸光纤与紧套光纤应变监测对比

3.2 不同空间分辨率应变监测分析

图4 为 10 cm、50 cm 空间分辨率情况下角钢 3 个边缘光纤应变监测情况对比，可以看出：

1）10 cm 空间分辨率较 50 cm 空间分辨率应变监测结果跳跃较为剧烈，因为 10 cm 空间分辨率采用 1 ns 的脉冲宽度，其信号强度较 50 cm 空间分辨率（5 ns 脉冲宽度）弱，信噪比低；

图4 不同空间分辨率（10cm、50cm）角钢应变监测对比情况

图5 角钢三边光纤应变监测情况（50 cm 空间分辨率）

2）10 cm、50 cm 空间分辨率的分布式光纤应变监测技术可用于钢结构监测。

3.3 角钢应变变形分析

由图5 可以看出：①角钢 A 侧与 B 侧、C 侧受力相反，原因在于角钢受到向下作用力时，B、C 侧将受拉产生拉应变，A 侧受压而产生压应变；②角钢 C 侧应变较 B 侧大，因 C 侧位于角钢一侧边缘，B 侧为角钢角点，在作用力同方向上，其抗弯能力更强。

4 结论

通过两种类型光纤（裸光纤、紧套光纤）、两种空间分辨率（10 cm、50 cm），采用分布式光纤传感技术进行角钢形变实验研究，得出如下结论。

1）分布式光纤应变传感技术用于钢结构变形监测时可行的，反映了钢结构的应变情况，同时可进一步分析钢结构受力情况。

2）裸光纤比紧套光纤更能反映钢结构形变，光纤与被测物体越紧密，越能反映出被测物体形变情况。

3）10 cm 比 50 cm 空间分辨率信噪比低，抗干扰能力较低。综上，该方法可以很好地实现对城市角钢结构的变形观测和质量分析。