光线光栅传感技术在板桩码头教学模型的监测位置选择与实施

板桩截面
3×0 .8m
桩长
18m
锚定墙截面
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3.8m×0.8m
帽梁截面
3.5m×1.2m
三、模型监测方案
0.3×0.08m 1.8m
0.38m×0.08m 0.35×0.12m
L 10 L 10 L 10 L 10
码头模型共有 14 块板桩，地面高度 1.30m，埋入土下
板砖深度 0.88m。光纤光栅传感器采用的是武汉中航电测
摘 要：码头全寿命周期中的监测数据对研究码头的受力状态和结构特点有着重要意义。本文以巴基斯坦某军事造
船厂码头为原型建立缩尺比码头教学模型，根据板桩码头结构运营荷载分布规律，设计埋设光纤光栅传感器，研究
了光纤布拉格光栅（光纤光栅）传感器在板桩码头上的安装工艺和保护措施，通过模型试验观测结构应变状态。研
第 18 卷 第 6 期 2018 年 6 月
中国水运 China Water Transport
Vol.18 June
No.6 2018
光线光栅传感技术在板桩码头教学模型的
监测位置选择与实施
赵应江 1，2，姚国全 1，2，徐 文 2，3
（1．高性能船舶技术教育部重点实验室（武汉理工大学）；2．武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063； 3.湖北省公路工程技术研究中心，湖北 武汉 430063）
依次布置一个传感器，地上共布置 5 个传感器，最上面一个
传感器距离板桩顶部 10cm，地下共布置 3 个传感器，最下
面一个传感器距离板桩底部 18cm，各传感器之间用跳线相
互连接。在第 10 块钢板上对应位置处布设了振弦式电阻应
变计。
光纤光栅传感器对温度的灵敏度远大于应变的灵敏度
（约 10 倍左右[5]），码头服役环境温度变化较大，温度的变
栅进行相应温度补偿。
四、 光纤光栅传感器安装工艺
光纤光栅传感器属于精密器件，在安装过程中要注意很
多细节，一个小的细节疏忽有可能会造成传感器的测试误差
甚至传感器损坏。在试验场地按照设计方案进行传感器的安
装工作，具体步骤如下：
A
究成果可为沿海板桩码头的结构健康监测系统建设方案提供参考。
关键词：光纤光栅传感器；板桩码头；模型试验；结构健康监测
中图分类号：TU457
文献标识码：A
文章编号：1006-7973（2018）06-0082-02
一、引言 板桩结构码头以其结构形式简单，造价低廉，施工周期 短等独特优点，在国外应用非常普遍。然而，受设计理论和 工程实践的限制，过去我国板桩码头结构仅用于中小型港口 工程。建国以来，中国港口已经过五个发展时期的建设创新， 一大批配套设施完整的板桩码头已经普遍应用于长三角、珠 三角、环渤海以及内河港口建设。码头在服役期间要承受风、 浪、流等恶劣的海洋环境以及长期大重量货物载荷，使得码 头结构极易出现损伤，影响码头结构的安全性和耐久度。为 保证码头的安全运营，及时发现码头结构损伤并维修和加固 码头，就需要对码头结构进行长期健康监测。 目前，通常采用振弦式应变传感器对板桩码头的应变进 行长期监测，但是振弦式应变传感器由于抗干扰能力弱、长 期稳定性差、相对误差、零漂和动漂较大等缺点因而很难满 足实际需要[1]。振弦传感器在涉水和强腐蚀性的海水环境中 成活率较低，而光纤光栅布拉格传感器因精度高、可靠性高、 使用温区宽、耐压值高、耐恶劣环境等优越特点逐步应用于 航空、桥梁、海洋等各个领域[2-4]，相比于振弦传感器而言， 体积小、重量轻、防水防腐蚀性能好，更适用于码头结构的 结构健康监测，光纤光栅传感器应用于板桩码头应变的测试 并不多见，本文以实际码头原型为依托，探索了光纤光栅传 感器在板桩码头模型监测中应用的可行性。 二、码头模型背景 码头原型为巴基斯坦某军事造船厂码头的板桩结构型 式，结构断面图如图 1 所示，码头尺度为 420m×29m，拉 杆间距为 2.0m。由板桩墙、帽梁、轨道梁、拉杆、锚定墙 等组成。板桩墙采用 C30 混凝土板桩。码头顶面高程为 +15.0m ， 设 置 250KN 系 船 柱 ， 帽 梁 上 设 置
技术有限公司的 WASC-230 混凝土表面应变传感器，传感
器 中 心 波 长 1,510~1,590mm ， 应 变 测 量 范 围 -1,500~
1,500με，应变测量精度 1‰，工作温度范围-10~90℃。
光纤光栅传感器布设在第 4 块和第 7 块板桩上，以地面为
基准，距离地面 5cm 安装第一个传感器，然后每间隔 10cm
收稿日期：2018-03-01 作者简介：赵应江（1989-），男，湖北鄂州人，武汉理工大学交通学院 助理实验师，硕士，主要研究方向为结构工程。
第6期
赵应江等：光线光栅传感技术在板桩码头教学模型的监测位置选择与实施
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表 1 板桩码头教学模型详细参数
名称
原型
模型
比尺
码头标准段平面 拉杆间距 拉杆直径 材料
DA-A400H1500L 橡胶护舷，板桩码头教学模型详细参数见 表 1。
图 1 结构断面图
图 2 码头教学模型实体图 根据模型试验的相似理论，利用量纲分析法，综合考虑 试验场地、模型制作以及加载设备等因素，并且在弹性模量 的相似比尺选定的情况下，保证模型的工作应力没有超出弹 性范围内。基于这些考虑，选择模型的几何比尺为 10，模型 主要设计参数如表 1 所示。模型建造场地设在武汉理工大学 余家头校区船舶结构实验室北侧空地上，板桩码头教学模型 如图 2 所示。
弹性模量
42m×28m 2,000mm 115mm C30 混凝土
Q235 3.0×104MPa 2.06×105 MPa
4.2m×2.8m 300mm 10mm
C30 混凝土 Q235
3.0×104MPa 2.06×105 MPa
L 10 L 6.67
L 11.5 /
E 1
化会影响到测量精度，考虑到温度对光纤中心波长的影响，
可采取温度补偿来有效消除温度影响，特别是板桩码头模型
传感器分布在地上和地下，受阳光照射量不通，环境温度相
差较大。传统应变测试补偿技术较多，结合码头模型特点，
采用不受力光栅温度补偿法，在 3、5、6、8、9 板桩地上和
地下各布置一个温度光栅，对地上和地下不同位置的应变光