灵敏度可调FBG应变传感器在桥梁监测中的应用

覃荷瑛 倪敏

1.桂林理工大学 广西壮族自治区智慧结构材料工程研究中心， 广西 桂林 541004；2.桂林理工大学 广西岩土力学与工程重点实验室， 广西 桂林 541004

在材料老化、环境侵蚀等因素影响下，随着使用时间的增加，桥梁结构不可避免地会出现损伤。桥梁安全状态主要通过测试桥梁结构在设计荷载作用下的应变、挠度响应情况进行评价。监测桥梁应变、挠度等参数的传感器有电阻式应变片、振弦式应变计［1-2］、弓形应变计、锚下应力传感器、干涉雷达传感器［3-4］，基于微电子技术的无线传感器［5］，以及导电膜［6］、静力应变传感器［7］、高精度箔式应变计［8-9］等。电阻式应变片受温度影响较大，容易发生零点漂移。张弛等［10］在上海市吴淞大桥安装振弦式应变计实时监测主梁的应变波动，但该应变计受温度影响较大，对测试数据的处理较为复杂。吴东云等［11］通过现场试验，探讨弓形应变计在结构服役荷载测试中的可行性及在结构检测中的应用，但该应变计标定条件限制较多，制作工艺复杂。韩志强等［12］采用锚下应力传感器监测施工中40 m 跨度预应力混凝土T 梁桥结构的锚下有效预应力，但该传感器体积庞大且只能监测锚下预应力。

FBG 应变传感器因其结构简单、性能稳定、精度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、耐高温、抗疲劳、耐久性强等，常被应用于钢结构、混凝土结构等各类结构构件的应变监测［13-14］。熊先才等［15］将光纤法珀传感器埋入重庆大佛寺长江大桥的混凝土结构内部，用于长期应变监测。张欣等［16］采用长标距应变传感器实时监测桥梁的动态应变。刘永前等［17］采用埋入式F-P光纤应变传感器对秦沈客运专线辽河特大桥施工过程进行监测。

现有FBG 应变传感器均存在安装困难、精度不足等问题。为解决这一难题，本文设计一种两端夹持式的灵敏度可调FBG 应变传感器，对其应变原理、温度补偿原理进行分析。基于室内钢筋混凝土梁受弯试验结果，将应变传感器安装在桂林市南洲大桥的混凝土梁结构、桥塔结构和钢结构表面，进行为期30 d 的监测，以期为结构损伤评估提供技术支撑，为维护施工期的桥梁健康监测提供依据。

1 FBG基本传感原理

1.1 FBG应变传感原理

FBG 是一段纤芯折射率具有周期性变化的光纤，本质上是利用紫外全息曝光的方式在纤芯形成窄带滤波器，对入射光进行波长选择。当宽带光谱进入栅区时，波长与栅区中心波长相同的光会被反射回去，其他波长的光则直线通过［18-20］。FBG结构见图1。

图1 FBG结构

基于耦合理论，光纤光栅中心波长可表示为

式中：λB为光纤光栅的中心波长；neff为光纤纤芯的有效折射率；Λ为光栅周期。

当外界环境引起栅区温度、应力变化时，中心波长会随之改变。因此，FBG 中心波长变化量ΔλB可表示为

式中：ΔΛ为光栅周期变化量；Δneff为光纤纤芯有效折射率变化量。

当不考虑温度对中心波长的影响时（即保持温度不变），光纤在轴向应力的作用下长度发生变化，产生弹光效应。此时FBG中心波长变化量可表示为

式中：ΔL为FBG 的轴向形变量；∂neff/∂LF为弹光效应；LF为FBG原始长度。

在均匀轴向应变条件下，FBG 中心波长变化量ΔλB可表达为

式中：ν为泊松比；P11、P12为弹光效应系数；εx为光纤光栅感知应变；Pe为光纤材料的有效弹光系数，Pe=，对于常见的石英光纤，一般取0.22。

令FBG应变灵敏度系数（Kε）为

则有

对于纤芯是纯石英的光纤情况，中心波长为1 550 nm附近的光纤光栅，Kε= 1.21 × 10-3nm。

1.2 FBG温度补偿原理

当FBG 处于均匀压力场和轴向应力恒定条件下，外界温度引起的热光效应和光纤热膨胀效应导致了光纤光栅波长发生变化。热膨胀效应改变光栅周期，热光效应改变光栅区域的折射率。当外界温度改变时，光栅的中心波长变化量为

式中：ξF为光纤的热光系数，常温下取6.5 × 10-6℃-1；αF为裸光纤光栅的热膨胀系数，对于常见的石英光纤取0.5 × 10-6℃-1。

由式（4）和式（7）可知，在应力和温度的共同作用下，裸光纤光栅中心波长变化量为

当FBG 嵌入基体材料，只受温度影响时，即耦合有光纤光栅的基底材料在温度影响时是自由不受约束的［21］。由于基底材料的热膨胀系数（αM）和裸光纤光栅的热膨胀系数（αF）不同，导致光纤光栅受基底温度的变化而产生应力作用。将这种应力近似为轴向应力，则光纤光栅受产生的轴向应变εx= （αM-αF）ΔT，与裸光纤光栅同时受应变和温度影响一致，代入式（8）则有

式中：KT为光纤光栅嵌入基体后的温度灵敏度系数，KT=[(1 -Pe)(αM-αF)+(ξF+αF)]λB。

FBG 嵌入基体后，同时受温度和轴向应力（应变）影响时，由式（6）和式（9）得到光纤光栅中心波长变化量，即

其中，Kε和KT通过传感器标定获得，ΔT通过另一个不受力的FBG 应变传感器（温补传感器）获得。将ΔT= Δλt/KT代入式（10）得到FBG 应变传感器所监测到构件因受力而产生的应变（ε0），即式中：Δλε、Δλt分别为既受力又受温度变化的FBG 应变传感器和只受温度变化的温度传感器（FBG 温补传感器）的中心波长变化量；KT1为FBG 应变传感器的温度灵敏度系数。

本文提出的新型FBG 应变传感器通过粘贴一个中心波长变化只与温度有关的FBG 温度传感器来解决应变-温度交叉敏感问题，可以获得仅因应力引起的中心波长变化量。

2 灵敏度可调式FBG 应变传感器结构及工作原理

FBG 的极限应变为4 × 10-3～ 7 × 10-3，当被测结构的应变超出FBG 的极限应变时，传统FBG 应变传感器难以准确监测该结构应变，通过调节FBG 应变传感器的灵敏度可以解决这一难题。

2.1 灵敏度可调式FBG应变传感器的结构

灵敏度可调式FBG 应变传感器结构由两支座固定件、连接杆、夹持杆和一压缩弹簧、刻有光栅（应变光栅、温度光栅）的光纤组成，见图2。图中，L为两夹持杆件内封装端点之间的距离，L0为两支座固定件中点间的距离。应变光栅悬空置于弹簧内部，在光栅两端粘贴长度以外通过光纤固定器对光纤施加一定的预拉力，使其保持拉紧状态。用光纤粘贴专用胶从粘贴起始点往外侧对称地将光纤封装在带有凹槽的夹持杆件上，这种粘贴方式可以降低应变迟滞效应。为保证被测结构的真实应变有效传递，封装后的FBG 处于钢管中心位置，并按预先设计的固定长度（L0）安装在被测结构上。被测结构产生的应变通过固定支座传递给FBG 应变传感器，使FBG 中心波长发生漂移，实现对被测结构的应变监测。

图2 灵敏度可调式FBG应变传感器

考虑到温度对FBG 中心波长的影响，利用温度参考光栅的温度补偿原理，将温补光栅粘贴在该灵敏度可调式FBG 应变传感器中任一夹持杆件凹槽处，实现温度补偿。

2.2 灵敏度可调式FBG应变传感器的工作原理

令ΔL0为两支座固定件中点的伸长量。由于夹持杆的刚度远大于光纤的刚度，因此夹持杆产生的位移与FBG 伸长量相同，即ΔL= ΔL0。设FBG 应变传感器感知应变为ε，被测对象的应变为ε0。根据材料力学原理有

由式（6）和式（13）可知被测对象应变和FBG 应变传感器感知应变的关系为

温度不变时，令KεL0/L=KFBG，则ΔλB与ε的关系可表示为

式中：KFBG为灵敏度可调式FBG 应变传感器的理论应变灵敏度系数，其值与L0、L的比值有关。

当被测对象的应变远小于FBG 的极限应变时，使L＜L0，从而提高FBG 应变传感器的灵敏度，监测微小应变；当被测对象的应变大于FBG 的极限应变时，使L＞L0，从而降低FBG 应变传感器的灵敏度，监测大应变。

温度变化时，由式（11）得到被测对象因受力产生的应变为

式中：λε为应变光栅当前测量波长，nm；λε0为应变光栅安装完成后的初始波长，nm；λt为温补光栅当前测量波长，nm；λt0为温补光栅安装完成后的初始波长，nm。

综上，该新型FBG 应变传感器可通过改变L0的大小来控制L与L0的比值从而调整传感器灵敏度，既可监测微小应变又可监测大应变。

3 钢筋混凝土梁受弯试验

3.1 钢筋混凝土梁的制备

制备试验梁尺寸为120 mm × 200 mm × 1 800 mm，混凝土强度等级为C20，梁底配置两根直径14 mm 的HRB400 级受拉主筋，箍筋采用ϕ6@150。试验梁尺寸及配筋如图3所示。

3.2 钢筋混凝土梁受弯试验

钢筋混凝土梁受弯试验采用二点加载方式，所需设备主要有：FBG 应变传感器、静态电阻应变仪、千斤顶、压力传感器、反力架、光纤光栅解调仪、裂缝探测仪等。试验梁净跨1 620 mm，设计的纯弯段长度为540 mm。梁底部纯弯段布置有三组上述新型FBG 应变传感器，编号为S-1、S-2、S-3，参数见表1。每组传感器正下方粘贴有3 支型号为BF120-30AA，电阻值为120 Ω，灵敏度系数为2.0 的电阻应变片进行对比分析，沿测点轴线以及两侧布置，编号为Y1—Y9，见图4。试验在常温条件下进行，温度变化对传感器的影响可忽略不计。

表1 FBG应变传感器试件参数

图4 测点布置及加载位置（单位：mm）

组装设备时，首先将试验梁放置在反力架已固定好的支座上，在试验梁顶部确定好加载点，而后放置钢梁，在钢梁上方放置压力传感器和千斤顶，利用垫块垫高使压力传感器与反力架上的千斤顶作用，将作用在钢梁上的均布荷载转化为二点加载。FBG 应变传感器通过跳线与光纤光栅解调仪相连将光信号转化为电信号，解调仪另一端用网线与计算机连接输出中心波长数据并记录，电阻应变片通过引线采用半桥接线法连接应变仪，试验前将应变清零。

钢筋混凝土梁受弯试验步骤：①记录钢筋混凝土梁未加载时对应的FBG 应变传感器的中心波长，作为初始波长；②以0 为起点，2 kN 为一级递增进行加载，加载至钢筋混凝土梁破坏停止试验；③每级加载至设定力值，待波长稳定后记录FBG 应变传感器对应中心波长和电阻应变片对应监测值；④加载至出现第1 条裂缝时，使用裂缝探测仪测出裂缝宽度并记录，对裂缝编号和标记位置。

试验结束后对FBG 应变传感器波长数据进行分析，通过式（16）计算得到相应的应变，并与电阻应变片的监测值进行对比分析，见图5。FBG 应变传感器应变-波长差值拟合曲线见图6。

图5 荷载-应变曲线

图6 FBG应变传感器应变-波长差值拟合曲线

由图5 可知：FBG 应变传感器测得的应变随应力的变化趋势与理论变化趋势始终保持一致；荷载达到15 kN 时出现第一条裂缝，此后电阻应变片测得的应变与理论计算值误差逐渐增大，且规律性较差。总体来说，FBG 应变传感器更适合用于钢筋混凝土梁的应变监测，可为结构损伤提供技术评估。

由图6 可知：灵敏度可调式FBG 应变传感器在钢筋混凝土梁受弯试验中监测应变与波长差值成线性关系且线性度高（决定系数R2均为1），稳定性好，监测数据具有可靠性，与理论情况相符。

4 工程应用

4.1 工程概况及测点布置

南洲大桥位于广西壮族自治区桂林市叠彩区大河乡境内，东二环路上，跨越漓江，全长320.0 m，由主桥和西引桥组成。主桥为曲塔双索面斜拉桥，斜拉桥采用塔、梁、墩固结体系，主塔采用斜弯的H 型钢筋混凝土结构。主桥主梁采用两种结构形式：东边跨为2 根预应力混凝土连续箱梁，截面形式为单箱双室；主跨主梁为钢-混凝土叠合梁，由2榀钢箱梁混凝土桥面板及钢纵横梁组成，钢箱梁采用单箱三室，腹板及底板为钢结构，顶板为钢筋混凝土结构，箱梁间采用钢横梁、钢纵梁以及混凝土桥面板连接成整体，钢构件均采用Q345qC 钢。该桥建成于2007 年，由同济大学建筑设计研究院设计，中铁大桥局集团有限公司施工建造。将9支FBG应变传感器安装于南洲大桥混凝土结构和钢结构表面进行健康监测（图7）。

图7 FBG应变传感器现场安装

将9支FBG应变传感器分成3组（A组、B组、C 组），每组3支，编号分别为A-1、A-2、A-3，B-1、B-2、B-3，C-1、C-2、C-3。FBG应变传感器参数见表2。

表2 FBG应变传感器参数

将A 组FBG 应变传感器应用于大桥上游的混凝土梁结构表面［图8（a）］；B 组FBG 应变传感器安装于大桥上游的桥塔结构底端［图8（b）］；C 组FBG 应变传感器安装于大桥上游的钢结构表面［图8（c）］。

图8 大桥测点布置

由于监测期间昼夜温差较大，为了保证监测数据的精确性和可靠性，FBG 应变传感器在投入使用前进行了应变灵敏度和温度灵敏度标定。FBG 应变传感器标定参数见表3。引入温度补偿系数（KT1/KT），采用式（16）消除温度对此种FBG 应变传感器中心波长变化的影响。

4.2 监测分析

FBG 应变传感器安装完成后首先连接Agilent861 42B解调仪记录应变光栅的初始波长和温补光栅的初始波长，随即开始监测，历时30 d。期间每隔3 d 记录各FBG 应变传感器应变光栅的中心波长和温补光栅的中心波长。监测结束后，由式（16）计算得到监测期间南洲大桥各测点结构表面的应变，绘制应变波动曲线，见图9。

由图9 可知，FBG 应变传感器可监测南洲大桥混凝土梁结构、桥塔结构以及钢梁结构应变且跟随性良好，监测期间FBG 应变传感器存活率为100%。混凝土梁表面和桥塔结构表面各测点应变波动趋势大体一致，钢梁表面三个测点监测趋势变化差别较大。原因是钢材产生形变主要由两部分组成，分别是加工过程中留下的残余应力引起的变形和受到外力引起的变形，由于残余应力的存在导致图9（c）钢梁表面三个测点趋势变化差别较大。总体上，该灵敏度可调式FBG应变传感器可应用于桥梁结构的健康监测。

5 结论

1）在钢筋混凝土梁受弯试验中，梁弹性工作阶段，FBG 应变传感器监测应变与波长变化成线性关系，线性度高；梁体出现开裂瞬间，监测值出现转折，符合理论值变化趋势。该灵敏度可调式FBG 应变传感器能对混凝土梁受弯直至破坏做到全程监测，监测结果具有可靠性，可为结构损伤评估提供技术支撑。

2）灵敏度可调式FBG 应变传感器布置在南洲大桥相应测点进行监测，大桥结构表面应变波动在合理范围内，监测结果可靠。FBG 应变传感器监测跟随性好，普通恶劣天气下存活率为100%，可应用于桥梁工程的健康监测中。