光纖光柵傳感器及其在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用
2015-09-14
0 引言
重大橋梁工程結(jié)構(gòu)的使用期長達(dá)幾十年、甚至上百年，環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載的長期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)與突變效應(yīng)等災(zāi)害因素的耦合作用將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，從而抵抗自然災(zāi)害、甚至正常環(huán)境作用的能力下降，極端情況下引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故。因此，為了保障結(jié)構(gòu)的安全性、完整性、適用性與耐久性，對重大橋梁工程結(jié)構(gòu)增設(shè)長期的健康監(jiān)測系統(tǒng)，以監(jiān)測結(jié)構(gòu)的服役安全狀況，并為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工控制以及研究結(jié)構(gòu)服役期間的損傷演化規(guī)律提供有效的、直接的手段，并實(shí)時監(jiān)測其服役期間的安全狀況、避免重大事故的發(fā)生。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)重大橋梁結(jié)構(gòu)工程的前沿研究方向（歐進(jìn)萍，2005）。
然而，重大橋梁工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施體積大、跨度長、分布面積大，使用期限長，傳統(tǒng)的電學(xué)量傳感設(shè)備組成的長期監(jiān)測系統(tǒng)性能穩(wěn)定性、耐久性和分布范圍都不能很好地滿足實(shí)際工程需要。隨著智能感知材料的發(fā)展, 高性能傳感器及其測試技術(shù)為結(jié)構(gòu)智能健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究與發(fā)展提供了嶄新的途徑，尤其是以光纖光柵為代表的光纖傳感元件的出現(xiàn)與發(fā)展，更為這一熱點(diǎn)課題提供了廣闊的生機(jī)。光纖光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：耐久性好，適于長期監(jiān)測；_____無火花，適于特殊監(jiān)測領(lǐng)域；既可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)測量，也可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測量；測量動態(tài)范圍只受光源譜寬的限制，不存在多值函數(shù)問題；檢出量是波長信息，因此不受接頭損失、光沿程損失等因素的影響；對環(huán)境干擾不敏感，抗電磁干擾；波長編碼，可以方便實(shí)現(xiàn)絕對測量；單根光纖單端檢測，可盡量減少光纖的根數(shù)和信號解調(diào)器的個數(shù)；信號、數(shù)據(jù)可多路傳輸，便于與計(jì)算機(jī)連接，單位長度上信號衰減??；靈敏度高，精度高；光纖光柵尺寸小，測量值空間分辨率高；輸出線性范圍寬，在量程范圍內(nèi)波長移動與應(yīng)變有良好的線性關(guān)系；頻帶寬，信噪比高等。正是這些突出優(yōu)點(diǎn)，光纖光柵傳感器受到土木工程領(lǐng)域的廣泛關(guān)注與青睞。
本文重點(diǎn)介紹了作者及其課題組和產(chǎn)業(yè)化企業(yè)近年來基于光纖光柵感知元件發(fā)展起來的系列傳感器、部品、重大土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)用以及項(xiàng)目研究與產(chǎn)業(yè)化狀況。主要包括：光纖光柵系列直接傳感器、光纖光柵間接傳感器、光纖光柵傳感部品（結(jié)構(gòu)）與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)與集成系統(tǒng)及其重大工程應(yīng)用。最后，介紹了作者在該方向的項(xiàng)目研究、國際合作與產(chǎn)業(yè)化情況，并指出該方向的主要研究與應(yīng)用方向。
1 光纖光柵傳感器的發(fā)展
光纖光柵是一種新型的光子器件，它可以控制光在光纖中的傳播行為。光纖光柵的研究與發(fā)展歸功于
1978 年加拿大的Hill（1978）等人在實(shí)驗(yàn)室中制作的世界上第一根光纖光柵，以及1989 年美國的Meltz
1 資助項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（50308008，50410133）；863計(jì)劃項(xiàng)目（2002AA3131110）；中國博士后基金
等人發(fā)明的紫外側(cè)寫入技術(shù)。隨后，1993年Hill與Lemaire分別提出相位掩模成柵技術(shù)和低溫高壓載氫技
術(shù)。這兩項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合極大地降低了光纖光柵的制作成本與容易程度，從而在世界各地掀起了基于光纖光
柵應(yīng)用研究的熱潮。自從1989年美國的Morey等人首次進(jìn)行光纖光柵的應(yīng)變與溫度傳感研究以來（Morey，
1989），世界各國都對其十分關(guān)注并開展了廣泛的應(yīng)用研究，在短短的10 多年時間里光纖光柵已成為傳感
領(lǐng)域發(fā)展最快的技術(shù)，并在很多領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用，如土木工程、油田、航空航天、復(fù)合材料、高壓
輸電線、醫(yī)學(xué)、核電站、消防等領(lǐng)域(Rao, 1999; Tennyson et al, 2000; Ou & Zhou, 2002, 2003,2004,2005)。
目前，國內(nèi)的清華大學(xué)、重慶大學(xué)、南開大學(xué)、武漢理工大學(xué)、北京交通大學(xué)、香港理工大學(xué)、哈爾濱工
業(yè)大學(xué)等單位對光纖光柵傳感器的應(yīng)用研究非常重視，投入了大量的人力和物力，得到了系列研究成果，
并已經(jīng)在一些重點(diǎn)示范工程上得到了應(yīng)用。
迄今為止，光纖光柵無論在技術(shù)成熟度，還是成本上都已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)的突破，將其應(yīng)用到量大面廣
的土木工程已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。很多光電領(lǐng)域的專家學(xué)者對光纖光柵的傳感特性以及諸多領(lǐng)域的應(yīng)用作了很多
嘗試，取得了較好的成果。但是，目前普遍存在一個問題：光纖光柵傳感器的開發(fā)者因?yàn)槿鄙賾?yīng)用領(lǐng)越的
專門知識，研究開發(fā)的“專業(yè)”傳感器無法勝任實(shí)際的工程需要，而應(yīng)用領(lǐng)域的工程師們?nèi)鄙俟饫w光柵傳
感的專門知識，即使清楚自己的測試需要，仍難以協(xié)調(diào)與指導(dǎo)傳感器的研究開發(fā)，從而導(dǎo)致了供給與需求
的嚴(yán)重脫節(jié)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)化企業(yè)針對重大土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對耐久性傳感器的迫切
需求，發(fā)揮多學(xué)科交叉的優(yōu)勢，突破傳統(tǒng)膠粘劑封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器和布設(shè)工藝耐久性的不足，通過
對光纖光柵應(yīng)變傳感器的應(yīng)變傳感物理機(jī)理、應(yīng)變傳感的界面?zhèn)鬟f機(jī)理、封裝光纖光柵傳感器的蠕變特性
等方面進(jìn)行了較系統(tǒng)研究，提出了基于誤差的應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法，并開發(fā)出系列高性能的光纖光
柵直接傳感器、光纖光柵間接傳感器、光纖光柵傳感部品以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)與
集成系統(tǒng)，并應(yīng)用于諸多重大橋梁工程。下面就其主要研究與開發(fā)成果作一介紹。
2 光纖光柵系列直接傳感器
2.1 光纖光柵直接應(yīng)變傳感器
目前，裸光纖光柵的傳感特性已經(jīng)比較清楚，可以直接應(yīng)用于應(yīng)變與溫度傳感，但是由于裸光纖光柵
特別纖細(xì)、外徑約為125微米、主要成分是SiO2，因此特別脆弱，尤其它的抗剪能力很差，直接將其作為傳
感器無法勝任土木工程粗放式施工，如混凝土的澆注、鋼結(jié)構(gòu)的吊裝以及惡劣的服役環(huán)境等。因此，對裸
光纖光柵進(jìn)行二次開發(fā)，即封裝或增敏處理，是將光纖光柵在土木工程領(lǐng)域推廣應(yīng)用的一個重要環(huán)節(jié)。光
纖光柵直接傳感器的封裝需要解決“結(jié)合”問題，高分子膠粘劑是解決“結(jié)合”問題的最直接的手段，然
而高分子膠粘劑“短命”的蠕變、老化等性能嚴(yán)重地制約了光纖光柵傳感器耐久性能的發(fā)揮，光纖光柵的
高耐久性封裝與無膠布設(shè)技術(shù)是光纖光柵在土木工程大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸技術(shù)之一。針對重大土木工程結(jié)構(gòu)
健康監(jiān)測對耐久性傳感器的迫切需求，突破傳統(tǒng)膠粘劑封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器和布設(shè)工藝耐久性的不
足，哈爾濱工業(yè)大學(xué)發(fā)揮交叉學(xué)科的優(yōu)勢，針對土木工程結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測的需要，開發(fā)出了系列高耐久性光
纖光柵直接傳感器產(chǎn)品，即高性能光纖光柵應(yīng)變傳感器。限于篇幅，這里主要介紹幾種有代表性的傳感器，
如有興趣，可以參看網(wǎng)頁信息www.tider.com.cn。此外，考慮研制開發(fā)光纖光柵應(yīng)變傳感器的需要，還專
門開發(fā)了多功能標(biāo)定裝置。
2.1.1 高耐久性FRP 封裝埋入式光纖光柵應(yīng)變傳感器
本產(chǎn)品采用高耐久性的CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer）或GFRP（Glass Fiber Reinforced
Polymer）封裝技術(shù)研制開發(fā)而成，整個傳感頭部分沒有耐久性制約的部件，完全克服了傳統(tǒng)用膠粘劑開發(fā)
光纖光柵封裝應(yīng)變傳感器不可跨越的耐久性問題。此外，F(xiàn)RP自身的線彈性本構(gòu)特性充分保證了傳感器在
量程范圍內(nèi)的線性度特性。該傳感器具有工程布設(shè)簡單、量程大（5000me以上，最大可達(dá)10000me）、耐久
性好、精度高、誤差修正系數(shù)小等突出優(yōu)點(diǎn)，特別適于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變的測試，可用于橋梁、建筑、
水工等土木工程結(jié)構(gòu)的施工、竣工試驗(yàn)和運(yùn)營監(jiān)測的應(yīng)變傳感器。產(chǎn)品照片與性能曲線如圖1 和圖2 所示。
a）傳感器照片
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
Δλ /λ
με
CB-FBG-CE-100型2號
實(shí)測
擬合
b）傳感器典型性能曲線
圖 1 CFRP封裝型光纖光柵應(yīng)變傳感器
a）傳感器照片
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
y=7.88E-7x+1.127E-5
relative wavelength change
strain
increased cycle1
b）傳感器典型性能曲線
圖 2 GFRP封裝型光纖光柵應(yīng)變傳感器
該產(chǎn)品可以根據(jù)實(shí)際工程需要制作成任意標(biāo)距，尤其適合大應(yīng)變的較大范圍監(jiān)測，并可以用來監(jiān)測混
凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部裂紋信息。該傳感器的主要性能指標(biāo)：量程大于5000 me；測試精度2～3 me（取決于解
調(diào)儀）；重復(fù)性誤差小于0.6％ ；線性度誤差小于0.9％ ；靈敏度系數(shù)為7.7~8.0E-7（1.18~1.2me /pm）( 具
體參見標(biāo)定系數(shù))；遲滯小于0.5%；在1000 微應(yīng)變下循環(huán)100000 次性能沒有變化；耐腐蝕環(huán)境，在工作
溫度35 攝氏度，鹽霧為3.5%NaCl溶液的鹽霧箱試驗(yàn)4 個月沒有性能變化。
2.1.2 高耐久性端部擴(kuò)徑FRP 封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器
考慮實(shí)際土木工程內(nèi)部應(yīng)變測試的協(xié)同工作要求，本產(chǎn)品的核心特征為在上述FRP封裝傳感器的基礎(chǔ)
上進(jìn)行端部擴(kuò)徑，其主要性能指標(biāo)基本操持一致。產(chǎn)品照片與典型性能曲線如圖3所示。
a）傳感器照片
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
△ λ/λ= -5.755×10－5+8.340×10－7×ε
△ λ/λ
ε（ με）
CB-FGB-EGE-100型1號
實(shí)測
擬合
b）傳感器典型性能曲線
圖 3 高耐久性端部擴(kuò)徑FRP封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器
2.1.3 高耐久性焊接式光纖光柵應(yīng)變傳感器
本產(chǎn)品采用了FRP無膠封裝技術(shù)，克服了傳統(tǒng)用膠粘結(jié)開發(fā)光纖光柵傳感器不可跨越的耐久性問題，
可以根據(jù)要求任意改變標(biāo)距長度，最小可達(dá)1～2cm，具有工程布設(shè)簡單、可拆換、量程大、耐久性好、
布線方便、精度高等突出優(yōu)點(diǎn)，可以用于鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變監(jiān)測，采用預(yù)埋件或鉚釘也可用于混凝土表面應(yīng)
變測試，可用作橋梁、建筑、水工等土木工程結(jié)構(gòu)施工、竣工試驗(yàn)和運(yùn)營監(jiān)測的表面應(yīng)變傳感器。產(chǎn)品如
圖與標(biāo)定曲線4 所示。其主要性能指標(biāo): 量程大于5000me；精度為1～2 me；遲滯系數(shù)小于 0.5% FS；重
復(fù)性小于1.0%FS；靈敏度系數(shù)為：7.8 x10-7me-1 ；線性度系數(shù)小于 0.5％FS。
a）傳感器照片
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
△ λ/λ= 6.4278×10－6+7.592×10－7×ε
△ λ/λ
ε（ με）
CB-FGB-CW-40型1號
實(shí)測
擬合
b）傳感器典型性能曲線
圖 4 高耐久性焊接式光纖光柵應(yīng)變傳感器
2.1.4 高耐久性長標(biāo)距埋入式FRP 封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器
考慮土木工程結(jié)構(gòu)大范圍內(nèi)的平均應(yīng)變測試需要，課題組采用FRP 筋的端部錨固技術(shù)，開發(fā)出了高耐
久性長標(biāo)距埋入式FRP 封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器。該產(chǎn)品可以根據(jù)實(shí)際工程需要制作成任意標(biāo)距，尤其
適合大應(yīng)變的較大范圍監(jiān)測，并可以用來監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部裂紋信息。其主要性能指標(biāo)為：量程大于
5000m e；分辨率1m e；遲滯系數(shù)小于0.3%；重復(fù)性系數(shù)小于0.4%；靈敏度系數(shù)為7.8x10-7m e－1 ；線性度
系數(shù)為：≤0.4%。傳感器如圖5 所示。
a）傳感器照片
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
△ λ/λ= -2.318×10－6+7.67×10－7×ε
△ λ/λ
ε（ με）
CB-FBG-GE-500型2號
實(shí)測
擬合
b）傳感器典型性能曲線
圖 5 高耐久性長標(biāo)準(zhǔn)埋入式光纖光柵應(yīng)變傳感器
2.2 無外力影響光纖光柵直接溫度傳感器
由于光纖光柵具有應(yīng)變與溫度的交叉敏感特性，而光纖光柵溫度傳感器在工程施工與服役過程中難以
避免地受到尾纖的拉扯作用，這樣就會導(dǎo)致光纖光柵溫度傳感器的“失真”, 從而導(dǎo)致測試誤差。因此開
發(fā)無外力影響的光纖光柵溫度傳感器對工程應(yīng)用意義重大。為了解決這個問題，針對原型和增敏兩種情況
分別提出無外力影響的新型封裝方法，有效地阻止了外力對光纖光柵的影響。填充熱的良導(dǎo)體后的傳感器
對溫度的感知速率獲得提高，而靈敏度和線性度未受影響；當(dāng)溫度不變時，傳感器兩端受到80N 的外力作
用時，波長讀數(shù)不產(chǎn)生變化，達(dá)到了無外力影響的封裝效果。該工藝為光纖光柵封裝溫度傳感器服役于傳
輸線路可能受力的環(huán)境提供了基礎(chǔ)。為此，課題組開發(fā)了無外力影響的原型封裝光纖光柵溫度傳感器和無
外力影響增敏封裝光纖光柵溫度傳感器。本產(chǎn)品特別適于不宜采用電學(xué)量溫度傳感器的溫度場，可用于電
站、輸電線、埋地管線、土木結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測、竣工試驗(yàn)和運(yùn)營監(jiān)測等的溫度監(jiān)測。
2.2.1 無外力影響的原型封裝光纖光柵溫度傳感器
本產(chǎn)品采用外力屏蔽方法研制開發(fā)而成，其內(nèi)嵌熱良導(dǎo)體，具有傳熱快、不受外力影響、保持分布式
傳感能力、耐久性好、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。本產(chǎn)品特別適于不宜采用電學(xué)量溫度傳感器的溫度場，可用于電
站、輸電線、埋地管線、土木結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測、竣工試驗(yàn)和運(yùn)營監(jiān)測等的溫度監(jiān)測。同時，它還可以用作光
纖光柵應(yīng)變敏感元件的溫度補(bǔ)償器件。傳感器照片與性能曲線如圖6 所示。其主要性能指標(biāo)為：量程為－
100～150℃；承受外力能力最大受力大于60N；測試精度：小于±0.1℃，（由解調(diào)儀決定）；重復(fù)性小于
1%； 線性度小于1 % ；遲滯小于1 % 。
a）傳感器照片
-60 -40 -20 0 20 40 60 80
-0.0001
0.0000
0.0001
0.0002
0.0003
0.0004
0.0005
0.0006
0.0007
0.0008
△ λ/λ=3.458*10 -4+6.288*10-6T
△ λ/λ
T(℃)
CW-FBG-Y-01型1號
實(shí)測
擬合
b）傳感器典型性能曲線
圖6 無外力影響原型封裝光纖光柵溫度傳感器
2.2.2 無外力影響增敏封裝光纖光柵溫度傳感器
本產(chǎn)品與上述原型封裝方法基本類似，不同之處就是預(yù)先將光纖光柵封裝到高膨脹系數(shù)的金屬材料
上，然后采用采用外力屏蔽方法研制開發(fā)而成。傳感器照片與性能曲線如圖7 所示，其主要性能指標(biāo)為：
量程為－100～150℃；承受外力能力最大受力大于60N；測試精度：小于±0.1℃，（由解調(diào)儀決定）；重復(fù)
性小于2%FS； 線性度小于3% FS；遲滯小于1% 。
a）傳感器照片
-60 -40 -20 0 20 40 60 80
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
△ λ/λ=8.066*10-4+1.846*10-5T
△ λ/λ
T(℃)
CW-FBG-Z-01型2號
實(shí)測
擬合
b）傳感器典型性能曲線
圖7 無外力影響增敏封裝光纖光柵溫度傳感器
2.3 高耐久性封裝光纖光柵鋼筋計(jì)
本產(chǎn)品采用隔離封裝技術(shù)，制作的應(yīng)變傳感器對鋼筋受力沒有加強(qiáng)作用，可以準(zhǔn)確測得鋼筋混凝土結(jié)
構(gòu)中鋼筋的平均應(yīng)變，具有布設(shè)方便、性能穩(wěn)定、串連成網(wǎng)、測試準(zhǔn)確、精度高、便于長期監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，
適于測量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋的應(yīng)變。產(chǎn)品及標(biāo)定性能特性如圖8 所示。其主要技術(shù)指標(biāo)與裸光纖光
柵基本一致。
0 100 200 300 400 500
1554.0
1554.1
1554.2
1554.3
1554.4
1554.5
1554.6
1554.7
波長（nm）
應(yīng)變(με）
l＝1554.093＋0.0012 e
R＝0.99982
實(shí)測
擬合
圖 8 高耐久性封裝光纖光柵鋼筋計(jì)
2.4 光纖光柵應(yīng)變傳感器標(biāo)定裝置
考慮多種類型的光纖光柵傳感器標(biāo)定需要，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制開發(fā)了便于對各種類型光纖光柵封裝
應(yīng)變傳感器標(biāo)定的多功能專門儀器，如圖9 所示。本裝置可以配置相應(yīng)的高精度參考位移測試裝置，如光
柵尺、千分表、高精度電阻應(yīng)變計(jì)等，使用非常方便。
圖 9 光纖光柵應(yīng)變傳感標(biāo)定裝置
3 光纖光柵間接傳感器
考慮重大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的實(shí)際需要，作者利用光纖光柵敏感元件開發(fā)出了針對性很強(qiáng)的高耐久性
光纖光柵間接傳感器，如光纖光柵裂縫計(jì)（大應(yīng)變計(jì)）、光纖光柵位移傳感器、光纖光柵冰壓力傳感器、
光纖光柵拉索壓力環(huán)等傳感裝置，為大型橋梁結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測系統(tǒng)的提供了條件。
3.1 光纖光柵大應(yīng)變傳感器（裂縫計(jì)）
圖10 光纖光柵大應(yīng)變傳感器（裂縫計(jì)）
裸光纖光柵自身的變形能力非常有限，極限應(yīng)變約為3000～5000me，因此它不能勝任實(shí)際工程的大應(yīng)
變監(jiān)測需要，尤其不能勝任裂縫信息的監(jiān)測。鑒于此作者采用減敏措施，開發(fā)出了量程可達(dá)100000me的光
纖光柵大應(yīng)變傳感器，可以直接用于小于20mm的裂縫監(jiān)測，精度可達(dá)0.002mm，適于混凝土表面和鋼結(jié)
構(gòu)表面的裂紋信息監(jiān)測。產(chǎn)品如圖10 所示。
3.2 光纖光柵位移傳感器（撓度計(jì)）
考慮大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對位移（或大裂紋）信息監(jiān)測的需要，開發(fā)出探桿式光纖光柵位移傳感器，
其最大量程可調(diào)（一般為10～20cm），精度可達(dá)0.01mm。光纖光柵位移傳感器如圖11 所示。該傳感器具
有安裝方便、線性度和重復(fù)性好、精度較高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
圖11 光纖光柵位移傳感器
3.3 光纖光柵冰壓力傳感器
冰壓力是高緯度地區(qū)跨海、跨江大跨度橋梁冬季的重要荷載之一，其監(jiān)測信息是用來分析該類結(jié)構(gòu)的
疲勞累積、完整性和安全評價的直接信息。此外，冰壓力數(shù)據(jù)是該類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。然而，傳統(tǒng)的
基于電阻應(yīng)變計(jì)開發(fā)的冰壓力傳感裝置在穩(wěn)定性與耐久性上遇到難以跨越的難題。作者基于雙光纖光柵應(yīng)
變測量原理，考慮冰壓力測試裝置的環(huán)境條件，設(shè)計(jì)開發(fā)出了冰壓力傳感裝置。該傳感裝置具有溫度自補(bǔ)
償、測量值與荷載作用點(diǎn)無關(guān)、線性度和重復(fù)性好、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，適合海洋平臺冰壓力測試。產(chǎn)品如
圖12 所示。
圖 12 光纖光柵冰壓力傳感器外觀圖
3.4 光纖光柵拉索壓力環(huán)
拉索的整體索力是索橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全評定的重要信息。目前已經(jīng)發(fā)展起來的索力監(jiān)測技術(shù)主要
有5 種，即壓力表法、壓力傳感器法、頻率法、磁通量法等技術(shù)。這些技術(shù)尚不能滿足長期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測
的耐久性、穩(wěn)定性以及精度需要。作者根據(jù)電阻應(yīng)變式壓力環(huán)的思想，與柳州OVM 公司共同開發(fā)出了光
纖光柵拉索壓力環(huán)。該壓力傳感器具有精度高、重復(fù)性好、耐久性好、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，而且制作成本較
低、形式改變?nèi)菀椎葍?yōu)點(diǎn)，適于索體構(gòu)件的整體索力監(jiān)測。
圖13 光纖光柵拉索壓力環(huán)
4 光纖光柵智能部品（結(jié)構(gòu)）
光纖光柵具有尺寸小的重要特性，可以將其與其他材料復(fù)合或布設(shè)到重要結(jié)構(gòu)上形成準(zhǔn)本征型智能結(jié)
構(gòu)，作者根據(jù)土木工程健康監(jiān)測的需要，研制開發(fā)出具有重要工程背景的光纖光柵智能復(fù)合筋/板/管/布、
光纖光柵智能拉索，光纖光柵智能地秤（汽車衡）等智能部品（結(jié)構(gòu)），獲得很好的效果。
4.1 光纖光柵智能復(fù)合筋/板/管/布
FRP材料具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、非磁性、重量輕（密度為鋼材的1/6~1/4）、高疲勞限值、加工方便等
優(yōu)良性能，在土木工程中的應(yīng)用前景十分廣闊。FRP材料已經(jīng)成為繼石材、混凝土、鋼材以后的又一重要
建筑材料。目前FRP筋/板/管/布等材料已經(jīng)在發(fā)達(dá)國家得到大量應(yīng)用，并形成了重要規(guī)程或建議。作者結(jié)
合FRP 的強(qiáng)度特性和光纖光柵的感知特性，研制開發(fā)出FRP－OFBG 復(fù)合筋/板/管/布。這種FRP－OFBG
智能復(fù)合材料克服了光纖光柵在混凝土中埋設(shè)的工藝難題，是集感知和受力、功能材料和結(jié)構(gòu)材料于一體
的新型土木工程材料，既可以方便地作為混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部傳感元件，也可以作為結(jié)構(gòu)受力筋。其中FRP
?。璒FBG智能筋產(chǎn)品與標(biāo)定性能如圖14 所示。
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
1551.5
1552.0
1552.5
1553.0
1553.5
1554.0
λ ＝ 1551.553+0.00121ε
R＝ 0.9999
波長(nm)
應(yīng)變(με)
實(shí)測
擬合
圖14 FRP-OFBG 智能筋產(chǎn)品與標(biāo)定性能
4.2 光纖光柵智能拉索
為了方便長期監(jiān)測拉索的內(nèi)力以及可能的損傷狀況，作者開發(fā)了系列光纖光柵智能拉索，如鋼絞線光
纖光柵智能拉索、平行鋼絲束光纖光柵智能拉索以及新型索體－FRP智能拉索等，并已經(jīng)用于多座橋梁結(jié)
構(gòu)上。
a. 光纖光柵FRP智能拉索b．光纖光柵鋼絲智能拉索
圖 15 光纖光柵智能拉索
4.3 光纖光柵FRP 智能錨頭
錨頭是FRP 材料用于實(shí)際工程的核心組件，其內(nèi)部受力與損傷信息的監(jiān)測目前尚沒有合適的監(jiān)測技
術(shù)。作者采用FRP-OFBG 成功地開發(fā)了光纖光柵FRP 智能錨頭，可以方便地監(jiān)測錨頭的內(nèi)應(yīng)力分布與可
能的損傷信息，并能方便地計(jì)算出錨固力與分析受力特性，適于用于錨頭的長期監(jiān)測。
streching
direction
FBG5 FBG4 FBG3 FBG2 FBG1
conducting optical fibre
freedom end streching end
a. 光纖光柵智能錨頭的布設(shè)示意圖b. 錨頭照片
圖 16 光纖光柵FRP智能錨頭
4.4 光纖光柵智能地秤
車輛荷載監(jiān)測是橋梁、道路、隧道等結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和一般荷重的重要測試工具，是用來有效評估公路、
橋梁服役安全狀態(tài)的基本數(shù)據(jù)源之一，而傳統(tǒng)的基于電學(xué)量的汽車衡（地秤）在耐久性指標(biāo)上難以滿足實(shí)
際工程需要。光纖光柵智能動態(tài)汽車衡充分利用了高耐久性光纖光柵的智能感知特性，根據(jù)結(jié)構(gòu)式傳感裝
置的構(gòu)造思想，巧妙地改變荷載傳力過程，并采用無膠封裝技術(shù)，使得整個汽車衡沒有受耐久性制約的部
件，并且具有很高的精度、重復(fù)性、抗疲勞等特性。此外，該產(chǎn)品與路基、路面匹配性很好。本產(chǎn)品具有
成本低、耐久性好、動態(tài)響應(yīng)性能好、精度較高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，特別適于耐久性高的場合。主要產(chǎn)品
形式如圖17所示。
圖 17 光纖光柵智能地秤
5 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)與集成系統(tǒng)
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的大規(guī)模光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)與集成系統(tǒng)一般由光纖光柵傳感器、光纖光柵信號解調(diào)儀、
光開關(guān)或光合波器、光纖跳線、光纖適配器、傳輸光纜、系統(tǒng)軟件等部分組成，其中光纖光柵信號解調(diào)儀、
光開關(guān)（合波器）與系統(tǒng)軟件（包括與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的通訊部分）是核心部分，系統(tǒng)構(gòu)建如圖
18 所示。
計(jì)算機(jī)
...
光纖光柵
解調(diào)儀
FBG1
光開關(guān)1
（合波器）
FBGn
FBG1 FBGn
光開關(guān)n
?。ê喜ㄆ鳎?br />
傳輸光纜
跳線
跳線傳輸光纜
光纖適配器
...
...
...
...
...
...
...
...
(a) 光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)
(b) 光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)物照片(c) 系統(tǒng)軟件
圖 18 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的大規(guī)模光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)與集成系統(tǒng)
6 工程應(yīng)用
作者及其課題組在國家863 項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、西部交通科技項(xiàng)目、重大橋梁工程項(xiàng)目等較多
重大項(xiàng)目的支持下，從2001 年開始，采用光纖光柵傳感器進(jìn)行了10 余項(xiàng)重大橋梁工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測實(shí)
踐，主要有山東東營黃河公路大橋、黑龍江呼蘭河大橋、黑龍江牛頭山大橋、山東濱州黃河公路大橋、南
京長江第三大橋、湖南茅草街大橋、重慶Щ腸穥廣陽島大橋、四川峨邊大渡河大橋、黑龍江松花江大橋等。本文
僅僅介紹部分有代表性的重大橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測項(xiàng)目。
6.1 黑龍江呼蘭河大橋
呼蘭河大橋位于黑龍江省呼蘭縣，由7個跨度為42m的5 箱預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁構(gòu)成，該橋總長度為420m。
由于呼蘭河長期泥沙淤積、軟土覆蓋層很厚以及施工條件惡劣等原因，呼蘭河大橋的下部均采用鉆孔灌注
樁基礎(chǔ)、柱式橋墩與肋式橋臺。鑒于該橋施工復(fù)雜、工期短、跨度較大、交通流量較大和冬夏溫差很大等
原因，對其進(jìn)行健康監(jiān)測具有實(shí)際意義。
2001 年，作者及其課題組將3 個光纖光柵溫度傳感器和12 個光纖光柵應(yīng)變傳感器分別布設(shè)在2 個箱
梁上 (歐進(jìn)萍等，2002)。布設(shè)的光纖光柵傳感器監(jiān)測了預(yù)應(yīng)力箱形梁張拉過程的鋼筋應(yīng)變歷程，以及箱形
梁靜載試驗(yàn)的鋼筋應(yīng)變增量與分布。橋梁建成一年后，光纖光柵傳感器工作良好，但對比用的應(yīng)變片均失
效。利用布設(shè)的光纖光柵應(yīng)變和溫度傳感器對呼蘭河大橋進(jìn)行了階段性運(yùn)營監(jiān)測，測量的溫度和應(yīng)變?nèi)鐖D
19 所示，應(yīng)變的峰值及其時程反應(yīng)可以用于交通狀況如車重量和車速的監(jiān)測，也可以用于橋梁結(jié)構(gòu)的累
積損傷和安全評定。(歐進(jìn)萍，2004)
a. 呼蘭河大橋服役過程光纖光柵應(yīng)變與溫度監(jiān)測
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0
-1 0
- 8
- 6
- 4
- 2
0
2
4
6
應(yīng)變(με)
時間( s )
b. 光纖光柵傳感器監(jiān)測車輛荷載下的應(yīng)變時程
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
11
12
13
14
15
16
17
18
19
溫度(℃)
時間（分鐘）
c. 埋入光纖光柵傳感器監(jiān)測橋梁溫度時程
圖19 光纖光柵用于呼蘭河大橋健康監(jiān)測
6.2 山東濱州黃河公路大橋
濱州黃河公路大橋是新建的205 國道濱博高速公路跨越黃河的重要橋梁。是目前全國第三座，山東
省第一座預(yù)應(yīng)力混凝土三塔斜拉橋，也是目前黃河上唯一的三塔斜拉索。大橋全長1698 米，其中主橋?yàn)?br />
42+42+300+300+42+42 米PC 斜拉橋，全寬32.8 米。主塔及邊塔均采用雙柱雙索面型式，中塔高125.28
米，邊塔高75.778 米； 主梁采用開口雙三角箱截面，在中塔處塔梁固結(jié)，邊塔處半漂浮支承，主梁及塔
柱采用55 號混凝土。北、南引橋分別為6 孔×42 米和16 孔×42 米PC 連續(xù)箱梁，全寬27.5 米。橋墩基
礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，樁徑Ф1.5米，樁長最長120米。計(jì)算行車速度為120 公里/小時。荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽車-超20
級、掛車-120。概算投資6.96億元。施工工期3年。大橋具有設(shè)計(jì)新穎、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、科技含量高、施工工
期緊、施工難度大的特點(diǎn)。
山東濱州黃河公路大橋于2003 年11 月合攏，2004 年7 月3－6 日進(jìn)行了成橋試驗(yàn)，如圖20 所示，
2004 年7 月18 日正式通車。由于橋梁結(jié)構(gòu)在其服役期間性能退化顯著，嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)服役安全性，
為此，山東省交通廳公路局委托哈爾濱工業(yè)大學(xué)為該橋設(shè)計(jì)并實(shí)施運(yùn)營健康監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠自動地
在線運(yùn)行，并可以通過Internet 網(wǎng)絡(luò)訪問該橋的數(shù)據(jù)庫，也可以通過Internet網(wǎng)操作和控制該系統(tǒng)的參數(shù)。
圖20 濱州黃河公路大橋成橋圖
為監(jiān)測大橋結(jié)構(gòu)的溫度和應(yīng)變以對其健康狀態(tài)進(jìn)行評價，在橋結(jié)構(gòu)中布設(shè)了138 支光纖光柵傳感器。
建立了基于編程光開關(guān)、光纖光柵解調(diào)儀的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，利用空分復(fù)用原理，實(shí)現(xiàn)對多個傳感器的數(shù)據(jù)
采集。通過程序可以遠(yuǎn)程控制光開關(guān)的切換，實(shí)現(xiàn)多通道靜態(tài)采集及四通道動態(tài)采集，對大橋主梁監(jiān)測截
面與斜拉索截面的溫度與應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測，如圖21 所示。
圖21 山東濱州黃河公路大橋光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)
圖 22 為大橋行車動載試驗(yàn)，重車以60KM/H 的速度行駛過合攏段過程中，合攏段截面應(yīng)變反應(yīng)。波
峰最大的曲線為合攏段處斜拉索監(jiān)測截面應(yīng)變值。峰值較小的兩條曲線為合攏段處主梁應(yīng)變反映。圖中曲
線可以如實(shí)的反應(yīng)處這一過程的應(yīng)變變化。圖23 顯示的是在24 小時范圍內(nèi)，測點(diǎn)處光纖光柵的應(yīng)變反應(yīng)，
采樣頻率1Hz。溫度曲線顯示了。顯示數(shù)據(jù)從上午8點(diǎn)開始，從數(shù)據(jù)中可以看到最高的溫度發(fā)生在下午兩
點(diǎn)，最低溫度發(fā)生在上午6 點(diǎn)。溫度對應(yīng)變結(jié)果影響很大，可以看出在進(jìn)行溫度補(bǔ)償前后的兩條曲線相差
很大。
圖22 動載試驗(yàn)的光纖光柵應(yīng)變傳感器測試圖 23 運(yùn)營期間光纖光柵應(yīng)變反應(yīng)和溫度
6.3 山東東營黃河公路大橋
東營黃河公路大橋位于山東省東營市，南北跨越墾利縣和利津縣，距黃河入gjigi?？诩s70km，是目前黃
河下游最后一座橋梁。該項(xiàng)目是國家規(guī)劃的“五縱”、“四橫”干線公路網(wǎng)及山東省綜合運(yùn)輸網(wǎng)主框架的重
要組成部分。東營黃河公路大橋按高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，全長2743.1m，為雙向4 車道，橋?qū)?6m，設(shè)計(jì)行
車速度100km/h，設(shè)計(jì)荷載汽一超20，掛一120；主橋?yàn)?16+200+220+200+116m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)一連
續(xù)組合梁，主墩為壁厚1.8m、中心距8m的雙薄壁墩，其他各墩均為矩形截面實(shí)體墩，全橋均為鉆孔灌注
樁基礎(chǔ)。目前該橋已經(jīng)完成橋面鋪裝。圖24 為施工階段的主橋。
圖24 山東濱州黃河公路大橋光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)
該橋在施工過程中經(jīng)歷多次體系轉(zhuǎn)換，施工過程復(fù)雜，且影響因素較多，這些不確定性因素可能引起
結(jié)構(gòu)主要參數(shù)如梁重、結(jié)構(gòu)剛度等的變化，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)與設(shè)計(jì)理想狀態(tài)偏離，且這些參數(shù)誤差
具有累計(jì)性，必須在施工過程中不斷地進(jìn)行監(jiān)測、識別、控制。該橋的服役環(huán)境相當(dāng)惡劣，加之疲勞效應(yīng)、
腐蝕效應(yīng)、材料老化和超載等不利因素的影響，結(jié)構(gòu)不可避免地要產(chǎn)生損傷累積、抗力衰減。在該橋運(yùn)營
期間，對結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形必須進(jìn)行適時健康監(jiān)測。另外新橋在通車前必須進(jìn)行荷載實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證本橋設(shè)計(jì)
與施工質(zhì)量、了解橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力。從監(jiān)測信息銜接的完整性角度，該橋是目前世界上唯一集施
工監(jiān)測、成橋試驗(yàn)、健康監(jiān)測三位一體的大橋。該橋目前還在建設(shè)中。
課題組在該橋上下游兩幅橋中共布設(shè)光纖光柵應(yīng)變傳感器1688 個，溫度傳感器180 個，布設(shè)照片如
圖25 所示。
圖 25 東營黃河公路大橋傳感器布設(shè)
為做好應(yīng)變測量的溫度補(bǔ)償工作，在所有內(nèi)力測面的頂板、底板及腹板中，均優(yōu)化布設(shè)了光纖光柵溫
度傳感器；為盡量減小日照溫差引起的局部溫度荷載的干擾，內(nèi)力測量選擇在日出前進(jìn)行；為盡量避開風(fēng)
荷載的干擾，測量均選擇在3 級風(fēng)以下天氣進(jìn)行。圖25 為上游5 測面在8#墩20#塊綁扎鋼筋時，縱向應(yīng)
變測量值及其按平截面假設(shè)梁理論計(jì)算而得到的正應(yīng)變沿梁高分布示意圖，該測面距8#墩中心7.6m，測
面高度10.548m，形心距頂板上邊緣4.961m，距底板下邊緣5.586m。
圖25 上游5測面在20#梁段綁扎鋼筋時縱向應(yīng)變測量值及設(shè)計(jì)計(jì)算值對比
從圖25 可見，懸臂施工梁端全截面受壓，且頂板壓應(yīng)力儲備較大；腹板上部頂板測點(diǎn)壓應(yīng)變值較頂
板平均應(yīng)變值大，腹板下部底板測點(diǎn)壓應(yīng)變值較底板平均應(yīng)變值大，懸臂變截面箱梁在端部呈現(xiàn)明顯的正
剪力滯效應(yīng)；從頂板、底板及形心測量值整體來看，該測面縱向彎曲變形基本符合平截面假定，測量值與
計(jì)算值基本吻合。
6.4 南京長江第三大橋施工監(jiān)測
南京長江第三大橋是國家“十五”期間重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，是上海至成都國道主干線的重要組成部分，也
是江蘇省規(guī)劃建設(shè)的五大戰(zhàn)略性過江通道之一。南京長江第三大橋是雙塔雙柱斜拉橋，主跨648m，鋼索
塔、鋼箱梁橋面結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式采用鋼套箱加鉆孔灌注樁組合而成的高樁承臺。其建設(shè)條件復(fù)雜，技術(shù)標(biāo)
準(zhǔn)高，施工難度大。南塔橋墩處水深流急，經(jīng)過方案優(yōu)化對比，樁基礎(chǔ)施工采用平臺結(jié)構(gòu)施工方法，即由
定位船和兩條導(dǎo)向船組成施工平臺。施工時，首先將鋼套箱（F 29×24.6×84m）沉入水下－13.1m 處，
通過纜索將鋼套箱與定位船連接，形成相對穩(wěn)固的臨時結(jié)構(gòu)；然后，將8根鋼護(hù)筒（F 3.360m和3.340）
分批打入河床土中，將鋼護(hù)筒與鋼套箱剛性連接，使鋼護(hù)筒定位；而后，在鋼護(hù)筒中鉆孔沉入鋼筋骨架；
最后，澆注混凝土形成樁基礎(chǔ)。南京三橋效果圖與施工過程圖如圖26 和27 所示。
南京長江第三大橋橋索塔深水樁基礎(chǔ)的施工工藝十分復(fù)雜，施工過程中基礎(chǔ)關(guān)鍵構(gòu)件的受力具有時變
特性和精確計(jì)算的困難，因此，采取有效措施監(jiān)測其關(guān)鍵構(gòu)件施工全過程的受力狀態(tài)，對于確保樁基礎(chǔ)施
工安全是十分必要的。本項(xiàng)目監(jiān)測鋼護(hù)筒施工階段的受力狀態(tài)、樁基礎(chǔ)的受力狀態(tài)、套箱吊桿的軸力，以
及承臺施工階段的溫度及溫度應(yīng)力狀態(tài)。
圖26 南京長江三橋效果圖
圖27 南京三橋施工照片
課題組在南京三橋深垐垐垐水基礎(chǔ)施工監(jiān)測項(xiàng)目中共布設(shè)了397 個光纖光柵應(yīng)變和溫度傳感器，其中溫度測
量225，吊桿14，主墩護(hù)筒87，試驗(yàn)樁11，基樁鋼筋籠60，是目前國際上施工控制中布設(shè)光纖光柵應(yīng)變
和溫度傳感器最多的橋梁基礎(chǔ)。此外，開發(fā)的施工監(jiān)測系統(tǒng)與綜合數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，推動了信息化施
工的發(fā)展，還可以作為大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)和有機(jī)組成部分。
圖 28 鋼護(hù)筒傳感器布設(shè)
圖 29 樁基礎(chǔ)傳感器布設(shè)
圖30 鋼護(hù)筒施工監(jiān)測
圖31 施工監(jiān)測軟件
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
6-26 7-1 7-6 7-11 7-16 7-21 7-26 7-31 8-5 8-10 8-15
日期
測點(diǎn)溫度
測點(diǎn)13 測點(diǎn)14 測點(diǎn)15 測點(diǎn)16 測點(diǎn)17 測點(diǎn)18
測點(diǎn)19 測點(diǎn)20 測點(diǎn)21 測點(diǎn)22 測點(diǎn)23 測點(diǎn)24
測點(diǎn)25 測點(diǎn)26 測點(diǎn)27 測點(diǎn)28 環(huán)溫
圖 32 部分溫度場監(jiān)測效果
圖 28－32 為部分傳感器布設(shè)、監(jiān)測過程與監(jiān)測結(jié)果。本項(xiàng)目課題組采用先進(jìn)的光纖光柵傳感技術(shù)、
數(shù)據(jù)采集技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)據(jù)管理技術(shù)開發(fā)了索塔基礎(chǔ)施工智能監(jiān)測系統(tǒng)，對索塔護(hù)筒和基樁進(jìn)行了力學(xué)分
析，研究了光纖光柵的布設(shè)工藝，并在鋼護(hù)筒施工階段、索塔樁基礎(chǔ)施工階段、封底混凝土施工階段和索
塔承臺大體積混凝土的施工階段布設(shè)了較大規(guī)模的光纖光柵應(yīng)變和溫度傳感器，對相應(yīng)施工階段進(jìn)行了監(jiān)
測，為南京三橋索塔深水樁基礎(chǔ)的施工過程提供了參考數(shù)據(jù)和具體的施工控制方案。
6.5 湖南茅草街大橋
湖南省南縣茅草街大橋是省道1831 線跨越松澧洪道、藕池河西支、南茅運(yùn)河及沱江的一座特大型橋
梁。大橋全長7579.7 米，概算總投資，跨松澧洪道橋主橋按80m+368m+80m 三跨連續(xù)自錨中承式鋼管混
凝土系桿拱橋布置。邊跨、主跨拱腳均固結(jié)于拱座，邊跨曲梁與邊墩之間設(shè)置軸向活動盆式支座，在兩邊
跨端部之間設(shè)置鋼鉸線系桿，通過邊拱拱肋平衡主拱拱肋所產(chǎn)生的水平推力。橋梁概貌如圖33 所示。
茅草街大橋是目前世界上跨度最大的中承式鋼管混凝土系桿拱橋，其在運(yùn)營期間的風(fēng)、地震、車輛等
荷載以及溫度等作用下的受力性能十分復(fù)雜，因此，在該橋上布設(shè)運(yùn)營健康監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測該橋運(yùn)營
期間的安全性，對于保證茅草街大橋運(yùn)營期間的安全性，具有十分重要的意義和實(shí)用價值。
圖33 茅草街大橋主橋概貌
考慮有限元靜動力分析結(jié)果實(shí)際情況，作者及其課題在主拱拱肋內(nèi)、吊桿與系桿上布設(shè)光纖光柵傳感
器共100 余支，如圖34 所示。該橋目前還在施工建設(shè)中。
圖34 茅草街大橋傳感器布設(shè)
6.6 重慶廣陽島大橋
重慶市廣陽島大橋全橋長1129.16m。是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，單箱單室截面。上部構(gòu)造為
115.5m+210m+115.5m連續(xù)剛構(gòu)+17×40m簡支梁，下部構(gòu)造為柱式墩、樁基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)荷載為汽車—20 級，
掛車—100 級，人群3.5kN/m2。橋面靜寬度為1.75m 人行道（含欄桿）+9.00m（行車道）+1.75m 人行道
?。ê瑱跅U）=12.50m，為 2 車道設(shè)計(jì)。連續(xù)剛構(gòu)上部采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁、單幅橋設(shè)計(jì)。主橋長度為441m。
主梁采用單箱單室，箱頂寬12.5m，箱底寬6.0m，單側(cè)懸臂寬度3.25m。箱梁跨中梁高3.5m，墩頂跨端梁
高11.0m，單“T”箱梁梁高采用半立方拋物線變化。主梁及主墩墩身采用55 號混凝土，箱梁采用了縱、
橫、豎三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，縱向及橋面橫向的預(yù)應(yīng)力采用Φ15.24mm 鋼絞線，豎向預(yù)應(yīng)力采用Φ32 的
40Si2MnMoV 高強(qiáng)度精軋螺紋粗鋼筋。圖35 為剛開始主梁懸臂施工的廣陽島大橋主橋。目前，該橋還在
建設(shè)中。
圖 35 懸臂施工階段的廣陽島大橋主橋
該橋是一座大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋，其受力狀態(tài)復(fù)雜，主梁往往受到雙向彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪力的作用，加之
近年來車輛超載普遍，嚴(yán)重威脅橋梁的服役安全。對橋梁進(jìn)行健康監(jiān)測，是保障橋梁安全服役的有效措施。
用 ANSYS 進(jìn)行計(jì)算分析，針對該橋梁的受力特點(diǎn)，在該橋梁受力較大的截面上布設(shè)了光纖光柵-纖維
復(fù)合筋（5m 長）、光纖光柵應(yīng)變和溫度傳感器共50 余個，用來監(jiān)測該橋關(guān)鍵截面的受力狀態(tài)。纖維復(fù)合
筋內(nèi)部也設(shè)置了光纖光柵，其直徑較大，長度較長（5m），它既發(fā)揮傳感器的作用，也發(fā)揮加強(qiáng)筋的作用。
各傳感器相應(yīng)布設(shè)圖片如圖36 所示。
圖36 重慶廣陽島大橋光纖光柵傳感器布設(shè)
6.7 黑龍江松花江大橋
哈爾濱四方臺松花江大橋?yàn)橹骺?36 米的鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)斜拉橋，主橋全長696 米，是東北乃至
北方地區(qū)最大跨徑的組合結(jié)構(gòu)斜拉橋。黑龍江省哈爾濱松花江四方臺大橋采用雙塔雙索面半漂浮結(jié)合梁斜
拉橋體系，引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。橋梁全長1268.86m，主橋長696m，引橋長572.86m。
本橋采用熱擠聚乙烯半平行斜拉索，拉索采用φ7 低松弛預(yù)應(yīng)力鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，外包PE 防護(hù)材料。全橋共
計(jì)52 對斜拉索。拉索索面為空間扇形，自上向下向橋外側(cè)傾斜；塔內(nèi)拉索虛交點(diǎn)之間豎向距離為2.0m，
最上端索距塔頂面4.92m，梁上拉索錨點(diǎn)水平間距為12.0m，1#索錨點(diǎn)距順橋向塔中心水平距離約15.2m。
哈爾濱四方臺松花江大橋的效果圖如圖37 所示。
圖37 黑龍江松花江大橋圖38 ZM2Z1 子截面?zhèn)鞲衅鲗?shí)際布置圖
2003 年，課題組首先建立了哈爾濱松花江四方臺大橋的有限元分析模型，通過對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，獲
得了結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特點(diǎn)，按照熱點(diǎn)應(yīng)力原則，確定了光纖光柵傳感器的布設(shè)方案，以
監(jiān)測主梁的應(yīng)變和溫度，共布設(shè)了60支光纖光柵傳感器。圖38 為傳感器布設(shè)情況。監(jiān)測的部分結(jié)果如下
圖39 所示。
圖39 黑龍江松花江大橋運(yùn)營監(jiān)測
圖39 顯示的是跨中鋼主梁下緣測點(diǎn)處光纖光柵測量的運(yùn)營階段行車動態(tài)反應(yīng)。從曲線中可以清晰的
看到這種車輛作用于大橋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，采樣頻率50Hz。最大的動載反應(yīng)為90με。此圖為上圖動態(tài)監(jiān)
測局部放大圖，可以更加清晰的看到車輛動載產(chǎn)生的應(yīng)變反應(yīng)。最大峰值處為重車反應(yīng)，小峰值處為輕車
反應(yīng)。監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際情況吻合很好。
7 研究項(xiàng)目與產(chǎn)業(yè)化
7.1 項(xiàng)目研究
哈爾濱工業(yè)大學(xué)在國家863重大項(xiàng)目“海洋平臺結(jié)構(gòu)的實(shí)時監(jiān)測與檢測成像技術(shù)（編號2001AA602023）
和“光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究與工程應(yīng)用”（編號：2002AA3131110）、西部交通重點(diǎn)項(xiàng)目、國家高
技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重大國際合作項(xiàng)目“重大工程結(jié)構(gòu)的智能健康監(jiān)測，”（中、美、日） 、
“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的光纖光柵智能監(jiān)測（編號50308008）和“FRP 加筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能與智能特
性”(項(xiàng)目編號：50208007) 和中俄協(xié)議項(xiàng)目、中國博士后基金等縱向課題以及一批重大工程應(yīng)用項(xiàng)目等項(xiàng)
目的共同資助下，對光纖光柵傳感傳感技術(shù)進(jìn)行了較系統(tǒng)研究，已經(jīng)形成多份研究報(bào)告、國家專利、論文
等自主知識產(chǎn)權(quán)的成果。
7.2 國際合作
為了推動結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的發(fā)展，哈工大負(fù)責(zé)了“重大工程結(jié)構(gòu)的智能健康監(jiān)測”（中、美、日）重大
國際合作項(xiàng)目，并與美國、日本、韓國等國家和地區(qū)共同了成立了“亞太結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與控制協(xié)同研究中
心”，光纖傳感為其中的重要研究內(nèi)容。此外，針對光纖光柵傳感器的發(fā)展需要，成立了“哈工大－MOI
光纖光柵傳感器與監(jiān)測系統(tǒng)”聯(lián)合試驗(yàn)室和“中俄結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的光電技術(shù)”聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，目前在該方向
研究人員達(dá)20 余人。
7.3 產(chǎn)業(yè)化
目前，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制開發(fā)的系列光纖光柵傳感器及其部品已經(jīng)基本定型，并已經(jīng)得到工程檢驗(yàn)，
獲得了“2004 年國家重點(diǎn)高新技術(shù)產(chǎn)品”和“黑龍江省高新技術(shù)產(chǎn)品證書”,已經(jīng)形成相應(yīng)的產(chǎn)品系列，
分別由“哈爾濱泰達(dá)爾科技有限公司”（www.tider.com.cn）和“寧波杉工結(jié)構(gòu)監(jiān)測與控制中心”開發(fā)與生
產(chǎn)。
8 結(jié)語
本文重點(diǎn)介紹了作者及其課題組近年來基于光纖光柵感知元件發(fā)展起來的系列傳感器、部品、重大橋
梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)用以及項(xiàng)目研究與產(chǎn)業(yè)化狀況。根據(jù)作者及其課題組的研究結(jié)果與工程實(shí)踐表明，光
纖光柵傳感器是適于重大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的理想傳感器?？紤]重大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對光纖光柵傳感器
的需求，以下方面是值得考慮的：
1）傳感器的耐久性與耐久性的布設(shè)工藝。重點(diǎn)突破滿足土木工程對高耐久性傳感器的需求和監(jiān)測耐久
性的傳感亟的研制與開發(fā)，如腐蝕傳感器等。
2）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程。目前，市場上開發(fā)的傳感器可謂“豐富多彩”，但是缺少同統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)約束，而且
部分廠家的傳感器未經(jīng)過嚴(yán)格的性能試驗(yàn)，造成業(yè)主難以適從。建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程是推動光纖光柵傳感
器應(yīng)用的核心工作。
3）高性能光纖光柵解調(diào)設(shè)備。目前，雖然市場已經(jīng)出現(xiàn)一些光纖光柵解調(diào)裝備，但是從“健康監(jiān)測”
的角度出發(fā)，還不能完全滿足長期、_____大規(guī)模、實(shí)時監(jiān)測的需求。
4）系統(tǒng)集成。光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)與健康監(jiān)測系統(tǒng)的集成將充分顯示健康監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，將是今后的
重要研究課題。
我國正處于重大橋梁結(jié)構(gòu)建設(shè)的高峰時期，我國已經(jīng)、正在和計(jì)劃建設(shè)的重大橋梁結(jié)構(gòu)為光纖光柵
傳感器的應(yīng)用提供了廣闊的空間和美好前景。
致謝
感謝“哈爾濱泰達(dá)爾科技有限公司”和“寧波杉工結(jié)構(gòu)監(jiān)測與控制工程中心”的大力支持與幫助。
