分析研究了光纤光栅传感与测试技术在大型土木工程结构监测中的应用;通过在加固后重载吊车梁圆弧端头的应力测试,对光栅传感器在结构测试中的布设、连接和监测等进行了测试与研究,测试结果表明:该测试技术的测试数据稳定、可靠,与理论计算结果吻合较好,是进行结构安全健康监测的有效手段.
　　大型土木工程结构和基础设施,如桥梁、超高层建筑、大跨空间结构、大型水坝、核电站,它们的使用期都长达几十年,甚至上百年.在其服役过程中,由于环境作用、疲劳效应等不利因素的影响,结构不可避免地产生损伤积累、抗力减小,甚至导致事故发生.如不能了解结构的健康情况,做出正确的维修与报废决策,一旦事故发生就会带来巨大的损失,如1999年日本发生的核泄漏,国内的虹桥倒塌等事故。
　　因此重要结构的健康监测已成为世界性研究的热点,特别光纤光栅监测是最近几年发展最为迅速的光纤无源监测方法之一.它与传统的电信号传感方式相比,光纤传感方式的主要优点包括:抵抗电磁干扰强,可用于恶劣环境的监测;小尺寸,光纤光栅长度小于8mm;③抗腐蚀,可用于桥梁、大坝等开放结构中;长寿命,有关研究表明,光纤可工作25年不退化;⑤可实现远距离的监测与传输,其信号损失极小.
　　在现有光纤的传感方式中,基于光纤的布喇格光纤光栅(FBG)传感方式除具有普通光纤传感器的许多优点外,还有一些优于其它光纤传感方式的特点其中最重要的是光纤光栅传感器是数字式的,它的传感信号为波长式调制.这一传感机理的好处在于:测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗和解调器老化等因素的影响;避免了一般干涉型传感器中相应测量对固有参考点的需要,其测量值为绝对量;能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅进行分布式测量。
　　另外,光纤光栅很容易埋入材料中,可对结构内部的应变和温度进行高分辨率和大范围地测量.国外,如瑞典的Nellen(1997,1999)等人分别在Lucerne桥预应力索线与Winterhur Storck桥的两根碳纤维上布置了光纤光栅传感器,美国的Fuhr(1998)在Winooski河上的Waterbury大桥的面板上埋入了8个光纤光栅传感器;并探测到了的50应变值.在国内作者在大型吊车梁工程中应用光纤光栅传感技术尚属首次.
　　工程实际应用当光纤光栅周围的温度、应变或其它待测物理量发生变化时,导致光纤光栅周期或纤心折射率的变化,从而产生光纤光栅信号的波长差,通过监测波长的位移的变化情况,就可以得到相应的待测物理量的变化情况.即当光波从光纤光栅解调单元中的宽带光源发出通过光纤达到待测构件部位的光纤光栅,由于温度、应变的改变使得返回的光纤光栅的波长发生改变,被反射的光波到达调制解调仪,并通过调制解调仪将得到光纤光栅的波长以数字方式传输到计算机,从而得到反射光的波长.测试对象为采用焊接加固后的跨度为28m吊车梁.可受荷载大(吊重450t),且工作频繁.在曾进行的应变片测试中,其测试信号的电磁冲击干扰较大,稳定性差.因此本次应变测试采用了光纤光栅传感技术.
　　工程概况.实际测试时吊重Q为141.57 t,小车距测试端的距离a=5.6 m,按吊车位置L的不同测试工况分为4个:L=0.9 m,L=2.9 m,L=4.9 m,L=6.9 m,结合前续项目吊车轮压的测试成果,根据吊重Q和距离a可计算出此时的吊车轮压P,然后根据吊车位置L就可计算出每个工况条件下测试部位吊车梁的支座反力R,以计算加固后吊车梁圆弧端处测点在各测试工况条件下的理论应力值.
　　测点布置.吊车梁圆弧端两侧(跨内侧和跨外侧)加固板上对称布置2处测点,吊车梁圆弧端板一侧布置1处测点,测点与圆弧端的距离为30 mm(至圆弧端钢板中心线距离).每处测点都由光纤光栅组成应变花的形式,即每处均有光纤光栅点3点,此外还设置1个温度补偿点,以上共计10点.测点布置图如1图所示.
　　测点布置图所应用的10个光纤光栅点的连接方式为,由9个光纤光栅组成应变花形式,以测试3个测点的平面应力,由1个光纤光栅作为温度补偿测点(因为光纤光栅的测试原理是通过布拉格光栅反射波长确定,与方向无关,因此只需用这1个测点作为其他9个测点的共同温度补偿测点,由于温度补偿的光纤光栅不能(a)单个串接(b)串联串接图2　光纤光栅传感器的连接示意图受到力,所以在图1中没有体现出来) 4#、6#、7#采用图2(a)单根光纤光栅串接的方法,其优点是有部分光纤光栅不能正常工作,其它的可以继续,保证了测试的连续性,缺点是每根光纤光栅都要有一个通道调制解调设备,需要有很多通道。
　　采用图2(b)的方法是由一条光纤串接3个光纤光栅组成应变花,这种传输连接方式需用光缆少,测试效率高,其缺点是某个光纤光栅点出现问题将影响其它串接光栅点的测试结果。

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