基于分布式光纤应变传感技术的改进共轭梁法监测结构变形分布研究

第 43 卷第 7 期 2 0 1 0 年 7月
土 木 工 程 学 报
CH INA C IV I L ENG INEER ING JO URNAL
Vol . 43 No. 7 Jul . 2010
基于分布式光纤应变传感技术的改进 共轭梁法监测结构变形分布研究
沈 圣 吴智深 杨才千 唐永圣 吴 刚 魏洪昌
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( 1. 东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室 ,南京 210096; 2. 北京特希达技术研发有限公司 ,北京 100011 )
摘要 : 工程结构的变形分布是识别结构损伤累积的一个重要手段和指标 ,但通过现有各种“ 点式 ” 传感技术还难以 全面准确监测结构变形分布 。本文基于 PPP2 BOTDA 分布式应变测量技术 ,提出一种适用于监测简支结构和多跨 连续结构变形分布的改进共轭梁法 。首先针对传统共轭梁法无法监测由支座沉降产生结构变形的缺点进行改进 , 使之适用于荷载与支座沉降同时作用的情况 。根据本文方法得到的结构变形分布与应变分布呈显式线性关系 ,与 荷载及截面刚度条件无关 。理论分析与试验结果均表明 ,由本文方法得到的某跨结构变形监测精度仅由该跨应变 测量误差控制 ,与其它跨应变测量误差无关 ,这就限制了应变测量误差的影响范围并保证结构变形的准确监测 。 关键词 : 结构变形监测 ; 分布式光纤传感 ; 改进共轭梁法 ; 健康监测 ; 布里渊散射 中图分类号 : TU317 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 2 131X ( 2010 ) 07 2 0063 2 08
An im proved con juga ted beam m ethod for structura l deforma tion m on itor in g ba sed on d istr ibuted optica l f iber stra in sen sin g techn ique
[6] [5] [4] [ 1, 2 ] [3]
当两束激光的频率差等于布里渊频率时 , 后向布里渊 散射就被激发 。通过对散射光频率和强度的解读便 可得到光纤的应变 、 温度和空间信息 。 PPP 2 BOTDA 由 于采用了脉冲预泵浦技术 , 大大提高了普通 BOTDA [ 10, 11 ] 仪器的空间分辨率和测量精度 。 对于同一根光纤 ,布里渊频率 vB 仅由光纤所受应 ( 2 )所示 : 变和温度变化线性决定 ,如式 ( 1 ) 、 ν ) = Cε (ε - ε ( 1) B ( T0 ,ε 0 ) +ν B0 ( T0 , ε 0 ) ν ( 2) B ( T, ε 0 ) = CT ( T - T0 ) +ν B0 ( T0 , ε 0 ) 式中 , Cε、 CT 分别代表布里渊应变系数和温度系数 , T0 为初始温度 ,ε 0 为初始应变 , v B0 为初始状态下的布里 渊频率 。

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2010 年
形监测的低成本 、 高效率要求 。 近年来 ,学者们致力于探讨结构变形间接监测方 法 ,一种主要方法是测量结构在荷载作用下的轴向应变 分布 ,通过二次积分来监测结构的竖向变形 ,其选用的 传感技术主要集中在点式和分布式光纤传感器上。各 种“ 点式 ” 光纤传感器 ,如 SOFO 和 FBG ,已经取得 一定规模的应用 ,但由于传感器成本太高 ,难以大规模 推广。最近 , 基于布里渊散射的全分布式光纤传感技 术 , 即 B rillouin Op tical Tim e Domain Reflectometer ( BOTDR ) 和 B rillouin Op tical Ti m e Domain Analysis (BOTDA )技术 ,因其具有良好的可维护性和低廉的监 测成本 ,逐渐得到研究人员的关注 。 Kim 首先在实验 室中对 铝 管 梁 弯 曲 变 形 进 行 了 监 测 , 熊 谷 仁 志
环境荷载 、 材料的疲劳效应 、 外界腐蚀等多因素耦合作
引 言
重大土木工程结构和基础设施 ,如桥梁 、 隧道 ,以及 输油、 供水 、 供气等管网系统等 ,在其服役过程中 ,由于
基金项目 : 国家十一五支撑计划 ( 2006BAJ03B05, 2006BAJ03B07) ,交通 部西部交通建设科技项目 ( 2009318000055) 作者简介 : 沈 圣 ,博士研究生 收稿日期 : 2009 2 01 2 07
图 1 PPP2BO TDA 工作原理示意图
F ig. 1 Pr in c iple of PPP2BO TDA
1. 2 分布式应变传感的特点
与传统的点式测量相比 , 分布式光纤应变传感技 术具有如下优点 : 1 ) 光纤本身既是感知元件又是传导 元件 ; 2 )通过网状布设 , 可以实现结构的一维到三维 分布测量 ; 3 )容易实现长距离 、 大范围测量 ,现有技术 的最大测量范围可达几十公里 ; 4 ) 具有良好的抗电磁 干扰能力 ; 5 )光纤结构轻巧 ,便于埋设 。 评价各种分布式光纤传感技术的主要指标有两 个 : 1 )空间分辨率 : 由于脉冲光具有一定的时间宽度 , 在光纤中的传播会产生一定的空间宽度 , 即空间分辨 率 。因此任意点的测量值都是包含该点的一段空间 宽度内测量值的加权平均 ; 2 )应变测量精度 。 1. 3 常用光纤布设方法 光纤在结构上的布设方式主要有两种 : 全面布设 方式和定点布设方式 。全面布设方法是指用粘结剂 将光纤完全贴附于结构表面或植入到结构内部 , 以便 监测结构任意位置的应变变化 。定点布设方法是将 光纤按一定的间距逐点固定在结构物上 , 用于测量固 定点间的平均应变变化 。它具有两个主要优点 : 1 ) 空 间分辨率范围内应变均匀分布 , 加权平均时能得到较
、

Matta 等也采用该技术针对混凝土结构和钢结构的实
际变形中的监测精度进行了验证研究 。试验结果显示 ,
SOFO 和 FBG传感器对于最大变形的监测误差仅为 5%
左右 ,而 BOTDR /BOTDA 技术对于相应位置的监测误 差一般都在 20%以上。主要原因有二 : 1 ) 在同样的测 量条 件 下 , BOTDR /BOTDA 技 术 的 测 量 误 差 远 大 于 [ 7, 8 ] μ ε SOFO 和 FBG传感器 (前者误差约为 25 ～40 ,后 μ ε) ; 2 )应变二次积分过程中 ,某点的积分误差 者小于 5 是由该点前所有积分点的应变测量误差累加而成 ,因此 当监测点逐渐远离边界点时 ,误差累积将“ 淹没 ” 真值。 [9] L i 采用共轭梁法取代二次积分法计算简支梁变形分 布 ,但传统共轭梁法不适用于存在支座沉降的情况 ,因 此在通用性上尚有不足。 在引入目前国际最高精度的 PPP 2 BOTDA 技术的 基础上 ,东南大学城市工程科学国际研究中心针对上 述缺点进行广泛的改进研究 。仍然基于现有技术的 测量精度 ,本文提出了一种基于分布式应变监测结构 变形分布的监测方法 。该方法得到的结构变形分布 与应变分布呈显式线性关系 , 且所有计算参数与荷载 条件及截面刚度条件无关 。该方法对荷载与支座沉 降耦合作用下的各种梁结构 (简支梁 、 连续梁 ) 均适 用 ,拓展了传统共轭梁法的适用范围 。进一步的理论 分析与试验结果表明 , 在相同应变数据输入的基础 上 , 本文方法的变形监测结果与应变二次积分法相 比 ,监测精度能得到较大提高 。
用 ,结构将不可避免地出现损伤累积和抗力衰减直至最 终破坏 ,其最重要的外在表现形式就是结构关键部位的 变形不断发展 ,直至失效 。长期以来 ,结构变形监测的 主要方法是大地测量、 GPS监测或者是各种点式位移计 直接测量 ,这些方法的共同缺点是测量点较少 ,导致不 能实现分布式监测 ,即不能全面把握结构的实际变形状 态 。而且 ,这些检测技术需要大量人力 、 物力的参与 ,监 测成本较高且自动化程度低 ,不能满足未来对于结构变
S hen S heng W u Z h ishen Yang Ca iqian Tang Yongsheng W u Gang W ei Hongchang
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( 1. The Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of M inistry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. B eijing Texida Technology Research and Development Co. , L td. , B eijing 100011, China ) Abstract: Defor m ation is in general the most effective indicator of unforeseen damage accumulation, though it is difficult to acquire deformation distribution using traditional“point”monitoring methods . Based on the distributed op tical fiber ( sensing technique of pulse 2 p repump B rillouin Op tical Tim e Domain Analysis PPP 2 BOTDA ) , an imp roved conjugated beam m ethod is p resented for monitoring the deformation distribution of simp ly2supported structures and continuous structures . This m ethod is suitable for the com bined action of loads and support settlem ents, extending the app lication of the traditional conjugated beam method. Another advantage of this method is that the relationship betw een structural defor m ation and strain is linear and all calculation parameters can be easily deter m ined w ithout using load or section stiffness . Theoretical and experim ental investigations confirm that using this m ethod, the accuracy of deformation monitoring in one span of structure is only related to the accuracy of strain measurem ents in this span, a characteristics useful for avoiding the influence from strain measurem ent errors in other spans . Keywords: structural defor m ation monitoring; distributed fiber op tic sensing; i m p roved conjugated beam method; health monitoring; B rillouin scattering E2 ma il: francois@ seu. edu. cn