光纤传感器在拦河闸内部变形监测中的应用分析_杨光.pdf

2023年4月收稿日期：20221023作者简介：杨光（1989），男，工程师，主要从事水利水电工程施工与管理工作。摘要：水工建筑工作环境恶劣，安全性要求高，而其内部病害往往无法及时发现。通过对比预埋应变片和光纤传感器测量结果，验证了光纤传感器监测钢筋混凝土结构内部应变的可行性。同时，以辽宁省北票市三宝乡一处拦河闸门为例，分析其结构变形情况，其中闸室侧墙顶端位移最大，但未超过0.05 cm；闸门结构最大应变在闸槽中间位置，为4.310-5，符合要求。关键词：光纤传感器；应变曲线；应力应变对比；闸室中图分类号：TP277.2；TV698.1+1文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）04-0112-03DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.04.029光纤传感器在拦河闸内部变形监测中的应用分析杨光（北票市防汛抗旱指挥部办公室，辽宁北票122100）水工建筑具有结构体积大、安全稳定性要求高、工作环境恶劣等特点，一旦水工建筑出现问题，将对当地经济和社会造成较大影响，因此对水工建筑的内部变形监测是保证其安全稳定运行的重要基础。1光纤传感器原理传感器技术已经更新多代，最新的光纤传感器具有体积小、灵敏度高、检测速度快、监测对象多等优点，目前已被广泛应用于混凝土结构、隧洞、公路桥梁等诸多领域1。光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光信号经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位等）发生变化，成为被调制的信号源，再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。2光纤传感器精确度验证设计利用试验的方法（对比预埋应变片和光纤传感器两者测试的结果）来验证光纤传感器的监测精度，整个过程在实验室完成，具体分为试件设计和制作、试验结果分析。2.1试件设计和制作2.1.1试件设计本试验共设计了2根钢筋混凝土梁，所用材料规格和具体设计参数详见表1，试件尺寸如图1所示2。2.1.2试件制作试件制作主要包括3个关键点，即应变片粘贴、光纤传感器布置、混凝土浇筑。（1）应变片粘贴。为了监测试件应变情况，设计2组应变片，其中1组粘贴在钢筋表面、另1组布置在混凝土梁表面。为验证测量结果的准确性，每组均设3个监测点。首先将监测点表面清理干净，打磨并擦拭使其光滑；然后利用胶水将应变片粘贴并将导线焊接；最后待胶水凝固后，利用纱布和环氧树脂将应变片和导线接触口完全包裹，防止其损伤，如图2所示3。（2）光纤传感器布置。本试验共设计了2组光纤传感器，分别对应应变片的安装位置，其中1组粘贴在钢筋表面、另1组粘贴在混凝土梁表面。（3）混凝土浇筑。浇筑梁尺寸为 1 500 mm200 mm120 mm（长宽高），在其四周设置厚20 mm的垫块，以保证梁体保护层厚度。为保证浇筑密实表1试件所用材料规格和具体设计参数混凝土强度C30保护层厚度/mm20箍筋6HPB300纵筋2根12HRB400配筋率/%0.94剪跨比1 2图1试件尺寸单位/mm1502008001 50020015012021220026670PP海河水利1122023.No.4度，分层浇筑，且采用振动棒人工捣实。为保证试验数据准确，共制作2个完全相同的浇筑梁试件，编号为1#梁、2#梁4。2.2试验结果分析2.2.1荷载-钢筋应变曲线对比荷载-钢筋应变曲线拟合，如图3所示。由图3可知，1#梁在荷载40 kN以下时，拟合度很好；荷载在40160 kN时，应变片测得的应变值均高于光纤传感器测得值，最大差值为200；随着荷载逐渐增大，拟合度逐渐吻合。2#梁自始至终两者拟合度均非常好。综合来看，光纤传感器对于钢筋应变监测准确度更高5。2.2.2荷载-混凝土应变曲线对比荷载-混凝土应变曲线拟合，如图4所示。由图4可知，1#梁在荷载20 kN以下时，应变片测得的应变值均低于光纤传感器测得值，最大差值为30；随着荷载逐渐增大，拟合度逐渐吻合。2#梁在荷载40 kN以下时，两者拟合度很好，之后出现较小差别。随着混凝土出现裂缝，混凝土表面应变监测停止。综合来看，光纤传感器对于混凝土应变监测准确度更高。3水工闸门变形监测应用分析通过上述试验验证了光纤传感器监测混凝土构件应变的可行性，而大型水工闸门结构也符合上述试验的基本条件，因此光纤传感器可以用于对其进行变形监测。3.1闸门概况试验节制闸门位于北票市三宝乡初级中学以西5 km扎兰营子河上，是一座以防洪、活水、调水为主要任务的3级水工建筑物。闸门结构为“U”形钢筋混凝土，地板厚 0.8 m，闸门孔径 5.0 m（配套“一字型”Q235B钢闸门），翼墙结构为M10浆砌石。3.2光纤传感器布置设计3.2.1布置原则（1）布置时必须包括闸门关键位置，例如最大位图2应变片粘贴图3荷载-钢筋应变曲线拟合（b）包裹保护（a）粘贴图4荷载-混凝土应变曲线拟合（a）1#梁光纤传感器测得数据应变片测得数据（b）2#梁光纤传感器测得数据应变片测得数据（b）2#梁（a）1#梁200180160140120100806040200荷载/kN200180160140120100806040200荷载/kN03006009001 200 1 500 1 800 2 100 2 400 2 700 3 00003006009001 2001 5001 8002 1002 4002 700钢筋应变/钢筋应变/9080706050403020100荷载/kN0100200300400500600700800900 1 0001 100 1 200受拉区混凝土应变/受拉区混凝土应变/0100200300400500600700800900 1 000 1 1009080706050403020100荷载/kN光纤传感器测得数据应变片测得数据光纤传感器测得数据应变片测得数据杨光：光纤传感器在拦河闸内部变形监测中的应用分析1132023年4月移处、最大受力点处、结构薄弱处，而且应尽量覆盖闸门全部结构信息；为了减少传感器布置数量，可以利用闸门的结构对称性6。（2）由于水工建筑结构安全系数一般较高，而且闸门主要受压应力影响，主要监测点往往集中在跨中最大弯矩截面、支座最大负弯矩截面。因此，为了保证监测准确性，在这些重要点位应多布置几根传感器。3.2.2具体布置设计（1）在闸门侧墙顶端布置2组（每组2根）光纤传感器，主要目的是监测侧墙稳定性（传感器编号为1#、2#、3#、4#）。（2）在闸门侧墙底端布置2组（每组2根）光纤传感器，主要目的是监测侧墙底部应变（传感器编号为5#、6#、7#、8#）。（3）分别在闸门和检修门闸槽处垂直水流方向布置2组（共4根）光纤传感器，主要目的是监测闸门结构应变（传感器编号为9#、10#、11#、12#）。3.3监测结果分析3.3.1闸室结构位移监测结果分析闸室结构位移（沿水流方向）由布置在侧墙顶端、底端和闸室中部的光纤传感器（1#10#）监测，具体监测结果如图5所示7。由图5可知：侧墙顶端布置的光纤传感器测得位移量为0.030.05 cm；侧墙底端布置的光纤传感器测得位移量为 0.010.02 cm。顶端相对于底端位移量较大，这也符合其他学者得出的结论。综合来看，本项目闸室结构位移量很小，安全稳定性能够保证。3.3.2闸门结构应力应变监测结果分析闸门结构应力应变（垂直水流方向）由布置在闸门和检修门闸槽处的光纤传感器（9#12#）监测，根据经验判断闸门结构应变最大位置应在闸门与地板交界位置，该处承受水压最大，具体监测结果如图6所示。由图6可知：9#传感器位于闸槽中间位置，监测应变最大，为4.310-5；其次是10#和12#传感器，位于闸门与控制箱、侧墙交接处，监测值约为2.410-5；11#传感器位于检修闸门边界位置，监测应变最小，约为1.210-5。闸门总体应变较小且均匀，没有出现级别数差距，安全稳定性可以保证。通过与其他测量仪器测得的数值相比，光纤传感器测试结果与其基本吻合，再次验证了光纤传感器应用于闸门监测的可行性和准确性。4结语本文通过试件试验和北票市三宝乡拦河闸门实际现场应用，证明了光纤传感器对水工建筑物变形监测的可行性。参考文献1 林金梅，潘锋，李茂东，等.光纤传感器研究J.自动化仪表，2020，41（1）：37-41.2 蒋晓曙，李莽，任亮，等.光纤光栅传感器在混凝土变形及裂缝监测中的应用J.施工技术，2013，42（4）：52-54.3 唐晋生，黄雪梅，杨儒贵.一种监测水坝变形的光外差光纤传感器设计J.西南交通大学学报，2004（2）：226-228.4 赵勇，王敏，高文旗，等.分布式光纤传感新技术在盾构隧道结构变形监测中的应用J.公路，2017，62（7）：326-329.5 施伟华，吴静.基于表面等离子体共振和定向耦合的光子晶体光纤传感器J.光学学报，2015，35（2）：49-53.6 童峥嵘，韩伟，曹晔.基于多模光纤偏芯熔接实现温度和折射率同时测量的光纤传感器J.光学学报，2014，34（1）：61-65.7 许滨华，何宁，何斌，等.基于分布式光纤传感器的管道受弯变形监测试验研究J.仪器仪表学报，2019，40：20-30.图5侧墙位移变化曲线（a）侧墙顶端（b）侧墙底端图6闸门结构应力应变变化曲线0.070.060.050.040.030.020.010位移/cm1#2#3#4#0.070.060.050.040.030.020.010位移/cm5#6#7#8#7.010-56.010-55.010-54.010-53.010-52.010-51.010-50应变9#10#11#12#传感器传感器传感器海河水利114