BOTDA 在城市角鋼結構變形監測中的應用研究

于德亮，李志遠

（1.兗州煤業股份有限公司興隆莊煤礦，山東 濟寧 272102；2.山東科技大學，山東 青島 266000）

0 引言

鋼結構以其剛度強、穩定性高、耐久性能良好等顯著優點廣泛應用于交通、建筑以及各種大型工程中，在城市建設中起著重要作用［1］。在荷載、腐蝕、氧化、材料老化等因素的作用之下，鋼結構將發生各種變形，從而發生斷裂、倒塌等事故。因此，對鋼結構進行形變監測及健康性能評估是非常必要的。

傳統的結構撓度監測主要分為機械式測量法、光學測量法和電機自動測量法三大類。機械式測量法主要有百分表測量法、懸錘測量法；光學測量法主要有高精度水準儀、全站儀和三維激光掃描技術［2］；電機自動測量法主要有傾角儀測量法、連通管式測量法和 GPS 技術。傳統結構應變監測主要有機測法和電測法兩大類。機測法是指采用諸如雙杠桿應變儀、手持應變儀、三維激光掃描儀［3］等機械式儀表進行監測，具有操作簡單、精度不高等特點。電測法是將應變轉換成電量的變化。通過量測電量的變化測得應變的變化，如電阻應變片，該方法操作復雜但精度高。

1 理論方法

分布式光纖感測技術（Distributed Fiber Optic Sensing，簡稱 DFOS），伴隨著光導纖維及光纖通信技術發展起來，具有測試距離長、性價比高、分布式不漏監、抗電磁干擾、抗腐蝕、高靈敏度等優點，可用于橋梁、隧道、礦山等工程實時安全監測，對滑坡、線路損傷等災害預報，對石化管線、橋梁等進行監控。目前該技術主要包括基于瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射 3 種散射的分布式光纖傳感技術。彭映成等［4］介紹了預抽運脈沖 BOTDA（PPP-BOTDA）與差分脈沖對 BOTDA（DPP-BOTDA）這兩種可提高空間分辨率、測量精度與信噪比（SNR）的新技術；介紹了利用保偏光纖（PMF）和光子晶體光纖（PCF）的特性同時測量溫度與應變的技術。李嘉琪［5］針對 BOTDA 技術的測量時間較長和噪聲較大的問題，利用 labVIEW 和 MATLAB 相結合實現此技術進行了改進。高俊啟等［6］利用 BOTDR 光纖傳感技術進行鋼筋混凝土簡支梁驗，得出可以監測試驗梁的應變，并可識別梁的結構性破壞，可以應用于橋梁的健康監測。顏永恒［7］以工字鋼為例，進行了分布式光纖受彎構件變形監測技術研究，可用于結構應變監測、結構撓度監測、結構抗彎剛度評估。

2 角鋼模型試驗

2.1 實驗原理

光時域布里淵分析（BOTDA）由Horiguchi 于1989 年提出。BOTDA 的測量原理是在光纖兩端分別輸入脈沖光和連續探測光。根據激光脈沖在光纖中傳輸時，由于光纖中含有各種雜質，導致激光和光纖分子出現相互作用，從而產生布里淵散射光。依據布里淵散射光的頻率偏移，從而獲取被測物理量（應變、溫度）的大小、時間及空間信息。布里淵頻移變化量與溫度、應變存在線性關系，如式（1）所示。

式中：Cν，ε、Cν，T分別表示應變和溫度變化系數，與入射光波波長有關。

2.2 實驗準備

在角鋼的三個邊緣分別敷設三根光纖，用以分析角鋼彎曲變形時其結構變形的特點。通過環氧樹脂軟膠將光纖緊密粘結在鋼結構表面，并放置一天，保證光纖與角鋼粘結部位應變同步。分布式光纖現場完成圖如圖1 所示。

圖1 模型示意圖

將敷設好光纖的角鋼兩端分別安置在支座上，可以繞支座轉動，中間懸空，構成一簡支梁。此時角鋼只受自重與兩端作用力，設此狀態為應力初始狀態，通過在簡支梁上任意點施加作用力都會使簡支梁上載荷發生變化，從而產生彎曲變形。分布式光纖傳感器是通過測量布里淵頻移量來測量變化值，而溫度變化和應變都會引起布里淵頻移變化。本實驗是在實驗室內進行，同時初始狀態到施加力狀態，時間間隔在1 h 之內，溫度基本沒有變化，因此布里淵頻移量為應變引起的。

2.3 實驗內容

本次實驗包括兩個部分：①裸光纖、緊套光纖對比，實驗外力使用 m=10 kg 的鉛塊，放置在中間位置處；②采用裸光纖，采用 10 cm（1 ns 脈沖寬度）、50 cm（5 ns 脈沖寬度）空間分辨率對比分析，實驗外力使用 m=10 kg 的鉛塊，放置在中間位置處。

本次實驗采用 DSTS-BOTDA 分布式光纖應變溫度分析儀，如圖2 所示。

圖2 DSTS-BOTDA 設備

3 實驗數據分析

3.1 裸光纖與緊套光纖應變監測分析

為分析不同類型光纖對鋼結構應變監測效果情況，采用裸光纖、緊套光纖兩種類型進行了對比分析，圖3 為裸光纖、緊套光纖應變監測對比情況。從圖中可以看出：在同等情況下，裸光纖與緊套光纖相比，裸光纖測得應變數值量較大，因為裸光纖是一次套塑，緊套光纖是二次套塑，所以裸光纖與鋼結構貼合更密切，鋼結構變形更好地傳遞到裸光纖，應變值更大，體現了在反映鋼結構變形方面，裸光纖比緊套光纖更適合作為分布式光纖傳感器。

圖3 裸光纖與緊套光纖應變監測對比

3.2 不同空間分辨率應變監測分析

圖4 為 10 cm、50 cm 空間分辨率情況下角鋼 3 個邊緣光纖應變監測情況對比，可以看出：

1）10 cm 空間分辨率較 50 cm 空間分辨率應變監測結果跳躍較為劇烈，因為 10 cm 空間分辨率采用 1 ns 的脈沖寬度，其信號強度較 50 cm 空間分辨率（5 ns 脈沖寬度）弱，信噪比低；

圖4 不同空間分辨率（10cm、50cm）角鋼應變監測對比情況

圖5 角鋼三邊光纖應變監測情況（50 cm 空間分辨率）

2）10 cm、50 cm 空間分辨率的分布式光纖應變監測技術可用于鋼結構監測。

3.3 角鋼應變變形分析

由圖5 可以看出：①角鋼 A 側與 B 側、C 側受力相反，原因在于角鋼受到向下作用力時，B、C 側將受拉產生拉應變，A 側受壓而產生壓應變；②角鋼 C 側應變較 B 側大，因 C 側位于角鋼一側邊緣，B 側為角鋼角點，在作用力同方向上，其抗彎能力更強。

4 結論

通過兩種類型光纖（裸光纖、緊套光纖）、兩種空間分辨率（10 cm、50 cm），采用分布式光纖傳感技術進行角鋼形變實驗研究，得出如下結論。

1）分布式光纖應變傳感技術用于鋼結構變形監測時可行的，反映了鋼結構的應變情況，同時可進一步分析鋼結構受力情況。

2）裸光纖比緊套光纖更能反映鋼結構形變，光纖與被測物體越緊密，越能反映出被測物體形變情況。

3）10 cm 比 50 cm 空間分辨率信噪比低，抗干擾能力較低。綜上，該方法可以很好地實現對城市角鋼結構的變形觀測和質量分析。