[工作精品论文]光纤光栅传感器在沉管隧道结构健康监测中的应用

中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集光纤光栅传感器在沉管隧道结构健康监测中的应用陈坦（中交四航局二公司洲头咀项目部广东广州510300）摘要光纤传感器具有优良的传感特性和众多的优点，是近年来迅速发展起来的一种新型传感器，在传感领域有着良好的应用前景。本文介绍了光纤布拉格光栅传感器在沉管隧道结构健康监测中的应用。关键词沉管隧道结构健康监测光纤光栅APPLICATIONOFFBGSENSORINSTRUCTURALHEALTHMONITORINGOFIMMERSEDTUBETUNNELCHENTANTHESECONDCONSTRUCTIONCOMPANYLTDOFCCCFOURTHHARBORENGINEERINGCOLTD,GUANGZHOU510300,CHINAABSTRACTWITHEXCELLENTSENSINGPERFORMANCEANDMANYADVANTAGES，FIBEROPTICSENSORISANEWTYPEOFSMARTSENSORDEVELOPEDRAPIDLYINRECENTYEARSANDHASABRILLIANTFUTUREINSENSINGFIELDTHISPAPERINTRODUCESTHEFIBERBRAGGGRATINGFBGSENSINGTECHNOLOGYISUTILIZEDTOMONITORSTRUCTURESOFIMMERSEDTUNNELKEYWORDSIMMERSEDTUNNELSTRUCTURALHEALTHMONITORING；FIBERBRAGGGRATING1引言结构健康监测通常是指利用现场的无损传感技术，通过分析包括结构响应在内的结构系统特性，了解工程结构因损伤或者退化而造成的改变，达到在危及结构安全性能之前发出预报、提早检测结构的目的。沉管隧道是目前比较先进的穿越江河、海峡的结构形式，全世界已经修建了一百多条沉管隧道。结构健康监测技术是用于监测建筑物在使用过程中的结构安全状态的有效方法。安装在沉管隧道重点区域的健康监测系统，能对隧道整体受力状况进行实时监测或周期性监测，向人们提供隧道健康状况的重要信息。2工程概况广州市洲头咀隧道工程沉管共分5节进行预制，所有管节分两批在芳村工区干坞内进行预制，编号依次为E1、E2、E3、E41、E42，各管节水平投影长度分别对应为85M、85M、795M、35M、85M。沉管横断面为两个车道廊和中隔廊组成的方箱型钢筋混凝土框架结构，高968M。3沉管隧道主要荷载沉管隧道会随着使用年限的增加出现一定程度的老化。在运行过程中，沉管隧道受到的荷载包括1永久荷载，包括有沉管结构自重、水压、土压和沉管内路面铺装材料自重、混凝土保护层、路基、路面及防水钢底板自重等；功能荷载，包括交通荷载、建造过程作者简介陈坦（1983），男，助理工程师，从事港口、市政施工技术管理工作。223中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集中的变化荷载、压舱荷载；环境荷载，有水流荷载、地震荷载等；灾害荷载，如船只碰撞、爆炸、洪水、塌方和渗水等引起的荷载。由于地基的沉降和车流、潮汐、淤积深度等外部可变荷载的反复作用，会使隧道产生不均匀沉降和局部受损，给隧道的结构安全带来隐患，甚至使隧道产生结构破坏，影响隧道的正常使用。对沉管隧道进行实时健康监测，监视隧道在运营中的结构性能状况，以便采取相应的管理和工程措施，是解决此问题的有效途径。4隧道健康监测内容洲头咀隧道健康监测系统的主要监测内容是（1）管段主体、接头处混凝土应变；（2）管段主体、接头处钢筋应力；（3）管段主体、接头处混凝土应变和钢筋应力监测范围的温度。5光纤光栅传感技术简介51光纤光栅光纤光栅实质上就是一段光纤，但它的纤芯中具有折射率周期性变化的结构，因此具有选择光波波长的功能。光纤光栅是由紫外光直接写入到光纤纤芯的衍射光栅，纤芯折射率大致成周期分布。光纤光栅的光谱特性由周期和折射率调制深度决定，因此人们可以通过改变周期和折射率制作出不同结构的光纤光栅网。目前，一般制作的光纤光栅都是均匀周期正弦型光纤光栅，光纤布拉格光栅是最常用的均匀周期光纤光栅。光纤句拉格光栅的光栅周期与折射率调制深度均为常数，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。光纤布拉格光栅的栅距一般为102MM量级，折射率调制深度一般为105103，其反射光谱的带宽一般为01O2MM，反射率可大于90，其反射率和带宽可以根据对光纤光栅参数的要求在制作中控制和调节。光纤布拉格光栅在光纤传感领域有着极其广泛的应用，可测量温度、应变、压力、位移、压强、加速度等多种物理量。52光纤布拉格光栅原理光纤布拉格光栅是利用掺杂光纤的光敏特性，通过某种工艺方法使外界入射光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期的永久性变化，在纤芯形成空间相位光栅。光纤布拉格光栅的折射率分布与反射、投射特性如图1和图2所示，当一宽带光波通过光栅时，某一波长的光被反射，其余波长的光则被投射。图1光纤BRAGG光栅结构示意图224中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集图2光纤布拉格光栅反射投射特性光纤布拉格光栅的中心波长与有效折射率的数学关系是研究光栅传感的基础。从麦克斯韦经典方程出发，结合光纤耦合模理论，得到布拉格光栅反射波长的基本表达式为2BEFN式中B为布拉格波长；为光纤传播模式的有效折射率；EFFN为光栅栅距。由上式可以看出，反射光的中心波长为B的光信号，跟光栅栅距，纤芯的有效折射率有关，所以当外界的被测量温度和应力引起光纤光栅的折射率等参量改变时，会导致反射中心波长发生变化。也就是说管线关山泛着中心波长的变化反映了外界被测信息的变化情况。由光纤光栅中的模式耦合理论可以推出光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为EFFN1BFEBTPE式中1FDDT为光纤的热膨胀系数；1DNNDT为光纤材料的热光系数；1EDNPND为光纤材料的弹光系数。当布拉格光栅受到外界应变，无论是对光栅拉伸还是挤压，都势必导致光栅周期的变化，目前已有的基于布拉格光栅的各种传感器基本上都是通过被测量来直接或间接改变光栅中心波长，达到测试被测物理量的目的。53光纤光栅传感的温度补偿由于光纤布拉格光栅存在温度应变交叉敏感问题，使我们在实际应用中无法从单一的波长漂移分辨出这究竟是应变引起的还是温度变化引起的。尤其当温度变化较大时，用光纤光栅做应变传感必须考虑如何去掉温度的影响，否则，会因为温度的变化而影响应变测量的精度。从1993年起，人们就开始研究光纤光栅传感器温度补偿问题，到目前为止对光纤光栅225中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集应变进行温度补偿的问题己有多种解决方案，这些方案大致分为两类一类是有源方式，另一类是无源方式。有源温度补偿即用外加电路设备控制光栅器件所在的工作环境温度；而无源温度补偿则以适当的结构与材料对光纤光栅进行封装，通过封装结构在原理上剔除温度对应变测量的影响，或者实现温度和应变双参数的同时测量，甚至多参数的同时测量。有源方式需要另外外接电源和温控装置，即增加了成本，也给光纤光栅传感器的安装制造了麻烦，因此很少采用。无源封装方案主要有聚合物封装法、不受力光栅温度补偿法、啁啾法、负温材料法和应变、温度双参量同时测试的双光栅叠加法等技术。洲头咀隧道光纤光栅传感器采用不受力光栅温度补偿法。6光纤光栅传感器应用优势一般对结构应变的测量主要采用电阻应变片，但电阻应变片容易受温度湿度等环境因素的干扰，无法在工程上长期可靠使用。而光纤光栅传感器是基于波长调制的传感器，抗电磁干扰能力强，寿命长，特别适合用于远距离传输或恶劣的工程环境。在大型结构工程检测领域，光纤光栅的应用主要分三个方面，即1结构监测和损坏检测；2实验应力分析；3系统和服务设施的管理与控制。这些工程包括桥梁、水坝、管线、隧道、矿场、建筑物、道路等。7隧道监测中光纤光栅传感器安装部位广州市沉管隧道工程共有5个断面设置安装传感器。其中2个里程在岸上与水中沉管接头的岸上段，2个里程在岸上与水中沉管接头的沉管段，1个里程在沉管段的第3个管节上。每个断面安装的位置如图3圈中所示。图3沉管结构检测位置图结构监测共安装钢筋计75只，预埋砼应变计30只，预埋温度计50只，明装砼应变计35只，明装温度计25只。明装应变计是在混凝土浇筑前的相应部位预留孔洞，带混凝土浇筑成型后，在孔洞内安装应变计。如图4所示。226中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集图4明装传感器预留孔洞各类传感器尾光纤在中隔墙上的保护盒与主光缆熔接。8隧道结构监测技术要求监测仪器均采用光纤光栅式,每通道的应力计或应变计应有温度补偿监测仪器光缆外采用5CMPVC管保护,光缆应根据相关规范进行穿管敷设,路径可根据现场具体情况适当调整。钢筋应力计设在最外侧主筋,混凝土应变计设在最外侧边缘。每个断面分4个通道,串联顺序见表1,每个通道串812个元件应变计或应力计,预埋元件和明装元件混合组网。9主要传感器类型及参数91钢筋应力传感器SENS4钢筋计,光纤光栅钢筋应力传感器主要用于测量钢筋受力。现场安装时通过底座直接焊接在钢筋上。图5钢筋应力计表1钢筋应力计技术指标指标名称指标标准量程400MPA测量精度05FS灵敏度01FS使用温度308092预埋砼应变传感器SENS2光纤光栅埋入式应变传感器，埋入式光纤光栅应变传感器用于测量各种混凝土结构的内部应变。安装时固定在混凝土的钢筋上。227中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集图6混凝土应变计表2混凝土应变计技术指标指标名称指标标准量程1500测量精度03FS灵敏度01FS标距120、150、250（MM）93明装、预埋温度计SENT1光纤光栅温度传感器图7温度计表3温度计技术指标指标名称指标标准量程3080测量精度05使用温度308010钢筋应力传感器安装方法光纤光栅传感器的安装各有不同，在此主要介绍钢筋应力传感器的安装方法。钢筋应力计安装分为三个步骤底座安装、传感器安装、完成后测试并保护。101传感器底座安装首先选用不易被混凝土浇筑时被振捣器破坏的位置。确定传感器安装位置后，将钢筋应力计安装底座固定在钢筋上，用校直棒校直位置后将安装底座焊接检测钢筋上。底座焊接完成敲除焊渣，取下校直棒并用重物敲打底座，消除焊接应力。102传感器安装安装底座通过焊接的方式固定在测试钢筋上，传感器安装在底座上，钢筋应力计的两侧螺母分别向两边拧松，留出中间螺纹区域方便放置在安装底座的卡口中。安装过程中不要用手按在传感器的中间区域，防止传感器受力影响测试精度。钢筋计连同钢筋浇注在混凝土中，当应变产生时，传感器所受力全部来自测试钢筋。228中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集图8钢筋应力计与钢筋连接实际大样图传感器表面做必要的防水、抗振处理。传感器表面包裹有纱布、硅胶和胶带等三种功能材料，目的就是隔离混凝土的影响，使钢筋应力计传感器只接受钢筋传来的应力。硅胶是软性材料，纱布是为了配合涂抹硅胶成型，避免固化前胶水流淌，并提高硅胶附着厚度，胶带是固定纱布胶水外形以及防水作用。三种功能材料能有效的隔绝混凝土的影响。图9钢筋应力计表面涂硅胶后外观103测试并保护1031、钢筋应力传感器埋入混凝土后，在浇注混凝土过程中必须安排专人看守，避免施工过程损坏。1032、钢筋计两端光缆引出须通过PVC管保护。1033、在混凝土过程中钢筋计用手持式解调仪进行数据测试，发现问题立即处理。将钢筋应力计固定好后先将左右两边内侧螺母拧紧，再将左边外侧螺母拧紧，右边外侧螺母边紧边开始张拉。张拉过程中必须缓缓拧紧螺母，不能幅度过大，并且注意测试仪器上波长的变化，一般张拉后的波长要比原始波长大1315NM。1034、钢筋计在出厂前进行初始数据采集，在安装到钢筋上后进行第二次数据采集，在混凝土浇注完成且模板撤除后对钢筋计进行第三次数据采集，第三次数据可以检查钢筋计在砼浇筑后的存活率。1035、在混凝土凝固过程中钢筋计用手持式解调仪进行数据测试，发现问题立即处理。229中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集11结语沉管隧道长期运行过程中受地震、车辆以及波流等载荷的作用，并且由于沉管隧道造价昂贵，可靠性要求很高，有必要通过分析其在外激励力下的动力特性，研究结构损伤产生和发展的机理以及对结构剩余寿命进行预测。这对提高结构可靠性、降低维护费用、灾害预报、提高生产效率等有重要的意义。洲头咀隧道正处在沉管预制阶段，光纤光栅传感器正随着沉管预制逐步预埋安装到管节混凝土中。对于已预埋好的传感器已完成了初始钢筋应力、混凝土应变的采集记录，当管节浮运、沉放和对接完成后将真正开始沉管隧道结构的健康监测，记录管节在各荷载作用下的应力应变，实时反映管节的受力健康状态。【参考文献】1、STJOHN,CM,ZAHRAH，TF,SEISMICDESIGNOFUNDERGROUNDSTRUCTURESTUNNE