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光纤光栅传感在桥梁工程中的应用

2015-1-9 16:34:36点击:

光纤光栅传感技术在桥梁工程结构健康监测中的应用    

       自光纤光栅传感器于1992年首次埋入混凝土梁中以来,大量在桥梁、水坝、隧道、矿厂、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.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安全监测.  

       1.在复合材料大桥健康监测中的应用 1993年,加拿大卡尔加里的Beddington trail大桥使用了光纤光栅进行应力测量并用此方法长期监测桥梁健康状况.该桥使用了26根预制预应力混凝土梁,其中6根使用了两种CFRP材料,一种是碳纤维复合材料筋,简称为CFCC;另一种是碳纤维增强导杆,简称为CFLR.其他的预应力筋采用普通钢绞线.18个光纤光栅传感器被安装在这三种不同类型的预应力筋的各个部位上.安装在该桥中的光纤光栅传感器不仅实现了对三种预应力筋性能的监测和比较,对混凝土的状态和性能的长期评估,还实现了对交通中的极限荷载以及桥梁的荷载历史的监测.  

       加拿大Winnipeg的Taylor大桥[3]是目前记录的使用CERP作为预应力筋的最大跨度的桥梁,是第一座智能桥.这座大桥上装备了一系列光纤Bragg光栅(FBG)应变传感器和一些普通的应变仪.66个FBG传感器分布在桥梁中的各个位置用来测量纵向的钢筋和预应力CFRP筋、横向的钢筋和CFRP筋、混凝土板、混凝土挡土墙的应变.现场解调系统和计算机从光纤光栅传感器上获得并存储信息,并通过电话线与遥远的中央监测站相连,从而实现对该桥的健康监测.  瑞士温特图尔的Storck’s桥,桥长120m,横跨18根铁轨.该桥有两根长为35m的拉索用CFRP材料替代了钢筋,每根CFRP拉索由7个FBG传感器组成的传感阵列进行监测,从而实现了对桥梁的长期监测,并且监测结果与同时使用的箔式电阻应变仪测得的结果十分吻合。John seim等人在美国俄勒冈州的一座名为Hosetail-Falls的大桥上利用光纤光栅对桥的两个需要进行补强的大梁进行监测,以确定复合材料对大桥进行维修和补强的可行性以及复合材料长期的工作性能. 

2.在桥梁结构施工监测中的应用  

       德国的Klink T.等人将4个光纤Bragg光栅传感器埋入德勒斯顿附近高速公路上的一座跨度为72m的预应力混凝土桥梁中.由测量值发现,在对钢筋施加预应力后,混凝土的应变发生了显著改变,一根预应变为3000μm/m的钢筋将引起该桥梁结构混凝土产生约300μm/m的压应变.考虑同时发生的温度减少,测量值与期望值相符.  比利时根特的环城运河上建了一座147 m长的预应力混凝土桥,桥的预应力梁在浇筑时埋入了18个光纤光栅传感器,利用光纤光栅传感器对桥梁的施工过程进行了监视,并将在建成后对桥梁结构进行长期监测.  我国在黑龙江呼兰河大桥箱形梁的施工中成功地布设了12个光纤光栅应变传感器和3个温度传感器;布设的传感器监测了预应力箱形梁张拉过程的钢筋应变历程,以及箱形梁静载货试验的钢筋应变增量与分布.大桥建成后,利用布设的光纤光栅应变和温度传感器对大桥进行了阶段性运营监测,监测了汽车的流量及其可能的疲劳损伤,为桥梁的健康诊断提供了依据.  

3.在桥梁结构损伤检测中的应用  

       建成于1970年的美国新墨西哥Las Cruces的I-10桥梁,是一座钢结构桥,已经出现了许多的疲劳裂纹.为了对该桥的形变应变进行监测,1999年夏天,在该桥上安装了120个光纤光栅传感器.   俄勒冈哥伦比亚河谷上的Horsetail fall桥是一座古老的桥梁,它于1914年建成,原为混凝土结构,后来采用纤维增强塑料复合材料对桥梁进行了加固,为了监视加固后的结构情况,把28个光纤光栅传感器安装在两根复合材料加固的混凝土梁上,从1998年开始至今,每个月用便携式光谱仪测量一次数据.佛蒙特大学的研究小组用光纤光栅传感器远距离进行监测,将测量数据传输到监测中心计算机上进行分析并发布到万维网上.  在挪威南部,有一个主要的改建工程,那就是把一座跨径为16.3m的双车道独板桥迁走,在该桥上安装了不同类型的光纤传感器和传统的监测系统,然后对桥进行加载,使之破坏.在该桥桥面板的受拉、受压钢筋以及一个桥墩上安装了40个传统的应变计,3个FBG传感器粘贴在钢筋棒上,在FBG传感器的附近有3个传统的应变计与它们一起共同工作。