光纖光柵傳感器在施工中的應用

林存旭　張純金　藤召武

摘 要：文章介紹了光纖光柵傳感器，簡述了光纖光柵傳感器在施工中的應用-光纖預應力筋以及光纖預應力筋在預應力混凝土結構安全監測方面的應用。

關鍵詞：光纖光柵傳感器；光纖預應力筋；預應力混凝土結構；安全監測

光纖光柵傳感技術在近幾年發展速度的飛快。大量研究表明：光纖光柵傳感技術是一種非常先進，并且十分有效的結構健康監測的工具和方法。光纖傳感技術解決了許多過去傳統監測方法的缺點和不足，并具有很好的應用價值和發展前景。由于我國領土經緯度跨越本來就很大，而且擁有各種各樣的地形還有氣候環境。在使用的過程中，環境對建筑本身會有相應的腐蝕，荷載也會使其產生疲勞，隨著時間的增長建筑的材料也會發生老化，這些建筑結構的損傷無法消除，并且會降低結構的可靠度，甚至于已經無法繼續使用。在工程已經無法繼續使用，處于危險狀態，如果此時還無法對建筑本身做出準確的評估，繼續使用，那么極有可能產生各種突發事故。這不僅有可能造成巨大的經濟上面的損失，而且也有可能造成人員的大規模的傷亡。

1 光纖光柵傳感器

光纖光柵傳感技術在近幾年發展速度的飛快。大量研究表明：光纖光柵傳感技術是一種非常先進，并且十分有效的結構健康監測的工具和方法。光纖傳感技術解決了許多過去傳統監測方法的缺點和不足，并具有很好的應用價值和發展前景。

針對工程結構監測，一個非常重要的參數是應力?，F在而言，大多數的應力傳感器是利用電阻應變計測量，但有很多的工程實例向我們表明：一些例如在濕度的環境因素等，對測量的精度和穩定性影響很大，使健康監測不能對許多重要工程結構實現在線的有效準確的檢測。

光纖光柵傳感器是應用于土木建筑中一種新的傳感技術；在土木工程中使用光學方面的技術。運用基于光纖光柵傳感測試技術的預應力筋來長期實時測量當前大型工程的結構損傷的這種測量方法，在現在有著良好的發展趨勢。預應力筋與光纖光柵傳感器相結合，將會有可能實現對預應力鋼筋混凝土結構的長期健康有效的檢測。

光纖光柵傳感技術在土木工程結構領域擁有巨大的潛力，光纖傳感技術的發展已經達到了一個新的階段。光纖傳感技術具有傳統傳感器不具有的許多優點，并且這些優點在土木工程監控監測方面有著極其方便的作用，并且這些優點在實際工程中運用也證明了光纖傳感器的實用性。

2 光纖光柵傳感器在施工中的應用-光纖預應力筋

預應力結構的要求通常是通過控制張力來保證。預應力混凝土結構的預應力混凝土的收縮徐變，在使用過程中，熱應變、預應力、鋼的腐蝕、錨具變形和許多其他因素，將導致預應力損失，預應力混凝土預應力下降，這會使得開裂載荷的降低。對于任何建筑來講，開裂載荷的降低都會給建筑結構帶來災難性的變化。預應力對于預應力混凝土結構的重要性不言而喻，所以得知預應力的損失和預應力實際的大小對于預應力混凝土結構的安全性是十分重要的。通過計算出預應力損失來是無法精確計算出預應力實際的大小。引起預應力損失的因素有很多，錨具變形、鋼筋內縮、摩擦等因素引起的損失可以通過實驗計算得出，然而有一部分的損失是無法準確計算的，徐變、松弛等隨時間變化的因素。將所有因素相加計算得出的損失結果往往誤差十分大，與實際損失相比相差很多。規范《GB-T5224-2014》中，結構鋼絞線力學性能中，應力松弛性能，對于初始負荷相當于公稱最大力的70%，則松弛率不應大于2.5%。光纖預應力筋是由普通的鋼絞線改制而成。用FRP傳感筋替代鋼絞線中間的鋼絲制成的。FRP傳感筋是將光纖光柵傳感器埋設在FRP筋中，光纖光柵傳感器本身及其脆弱很容易就被破壞，FRP筋是由高性能的纖維和基材聚合而成，具有和鋼絲一樣的抗拉強度且耐腐蝕。將光纖光柵傳感器埋設在FRP筋中，形成FRP傳感筋，FRP傳感筋在與普通鋼絲制成鋼絞線，形成預應力光纖傳感筋。預應力光纖傳感筋，不僅能夠利用光纖來實現對預應力的監測，同時還沒有影響破壞預應力筋本身的作用。

大量的實驗中表明包裹銅箔紙以及使用環氧樹脂粘接過的光纖光柵鋼絞線是可以的替代普通鋼絞線的，并且松弛率明顯小于2.5%。在光纖光柵鋼絞線制作成功的情況下，可以替代普通鋼絞線，作為預應力筋使用，并且光纖光柵智能鋼絞線可準確的測出預應力混凝土梁在外荷載作用下的預應力筋的應力變化。

光纖光柵鋼絞線的制備需要一根普通的鋼絞線，去除其中絲，再將去除中絲的鋼絞線與FRP-OFBG筋重新捻制。對捻制過程做出細致改變的光纖光柵傳感筋，包裹銅箔紙以及使用環氧樹脂粘接，使得光線光柵傳感筋外圍鋼絲與纖維筋摩擦增大。

在實際施工中使用光纖預應力筋，我們可以在任何時間準確的測出預應力混凝土梁在外荷載作用下預應力筋的應力變化，可以長期有效的監測該結構的應變，并且判斷出該結構的安全性。

3 光纖光柵傳感器在施工中的不足

光纖光柵傳感器在使用時需要注意防護。是因為纖芯相較于普通結構材質來說更加脆弱，對于機械破壞抵抗能力差；如何在種類繁多的光纖傳感器選擇與當前工程環境和某些特殊環境相匹配的受力性能，例如在高溫高壓，強酸強堿的環境下，光纖傳感器就必須用特殊的防護材料來保護以減少因為環境帶來的性質差異從而使測量的不確定性造成的誤差。

光纖光柵傳感器材質脆弱，抗機械破壞能力差，使用中需要特別防護。埋入FRP筋的光纖光柵傳感器的維修問題。以及光纖光柵傳感器的成本較高，如何在不改變其本身的作用的同時降低成本，這將是光纖光柵傳感器普及應用的一個關鍵。

參考文獻

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