光纖傳感器對(duì)土木工程的應(yīng)用

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摘要:以往在土木工程和建筑方面受力毀壞的工程因?yàn)闊o(wú)法得到精確的力學(xué)數(shù)據(jù)而得不到進(jìn)一步的研究，本文簡(jiǎn)單介紹光纖傳感技術(shù)的發(fā)展史，由此引入光纖傳感技術(shù)對(duì)土建帶來(lái)的深遠(yuǎn)影響?，F(xiàn)如今隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)得到了很好的發(fā)展，可以利用通過(guò)很好地利用光纖傳感技術(shù)對(duì)道路橋梁和建筑工程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)理論分析有著重要意義。

關(guān)鍵詞:光纖傳感器土木工程建筑

隨著科技的發(fā)展，在當(dāng)今社會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多的大型、特大型工程，這些工程在人們的日常生活中帶來(lái)了巨大的方便的同時(shí)也承擔(dān)著巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。所以對(duì)這些工程的安全性、可靠性、穩(wěn)定性要進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)，把安全隱患降低到最小，做到防患于未然，保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。光纖傳感技術(shù)可以對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性和受力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且可以進(jìn)行設(shè)備的控制。光纖傳感技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用在土木工程和建筑項(xiàng)目的工程案例還不是很多。一方面是由于我國(guó)相對(duì)于西方歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在光感技術(shù)方面發(fā)展較晚，科技不成熟的原因;另一方面是由于光感核心技術(shù)被西方大的科技公司壟斷，賣(mài)給中國(guó)的光纖技術(shù)設(shè)備的價(jià)格過(guò)高。

1光纖傳感器的發(fā)展

在1989年美國(guó)布朗大學(xué)的Mendez等人首次將光纖傳感器埋入混凝土結(jié)構(gòu)中進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，接著歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的一些學(xué)者開(kāi)始將這一高新技術(shù)用在了建筑工程的研究，并取得了很好的成果［1］。為了檢測(cè)應(yīng)力分布，Hendriek等［2］人把單模光纖埋入混凝土和土壤的飛行跑道上。美國(guó)多倫多大學(xué)Measure等人在1993年建于Calgurg市的世界首座預(yù)應(yīng)力碳纖維高速公路橋上埋人Bragg光柵傳感器，并對(duì)其內(nèi)部的應(yīng)力變化狀況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。Wolff和Miesseler［3］在一座53米長(zhǎng)的橋梁上將光纖傳感器埋入橋面內(nèi)，測(cè)量了延伸率和拉應(yīng)力。光纖延伸率的測(cè)量揭示了橋梁內(nèi)溫度和蠕變的影響因素。美國(guó)Vermont大學(xué)的Hustin．Fuhr等人在該校的一棟6000m2大樓的建造過(guò)程中埋人光纖傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的安全狀況。他們還在一些人行天橋、州際公路橋、鐵路橋及大壩中埋人光纖傳感器，監(jiān)測(cè)其應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)振動(dòng)、結(jié)構(gòu)損傷程度、裂紋的發(fā)生與發(fā)展等內(nèi)部狀態(tài)，取得了較好的測(cè)試效果。在國(guó)內(nèi)，這項(xiàng)新技術(shù)也被應(yīng)用于許多重要工程。上海紫珊公司將光纖光柵傳感器成功應(yīng)用于上海盧浦大橋［4］。香港理工大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)和建立的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)用于香港青馬大橋［4］。三峽工程中也使用了分布式光纖傳感器監(jiān)測(cè)裂縫和大體積混凝土的溫度。另外，在古洞口面板堆石壩和重慶魚(yú)跳電站混凝土面板堆石壩中均應(yīng)用了分布式光纖傳感器監(jiān)測(cè)壩體裂縫［5］。

2光纖傳感器在土建工程中的應(yīng)用［6－7］

因?yàn)榛炷辆哂行熳兲匦?，剛澆筑的混凝土收縮量大導(dǎo)致許多傳感器都不能檢測(cè)混凝土的收縮應(yīng)變，但是光纖傳感器可以。建筑工程實(shí)體在建筑過(guò)程中埋設(shè)光纖傳感器可以對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且可以方便的確定受損部位的位置及混凝土強(qiáng)度的非破壞性測(cè)量。并且可以通過(guò)在建筑實(shí)體的關(guān)鍵部位鋪設(shè)光纖傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)混凝土中裂縫、鋼筋、空洞發(fā)展變化情況。目前光感技術(shù)也運(yùn)用到了建筑結(jié)構(gòu)的基坑中。由于光纖傳感器在埋入時(shí)混凝土的固化、振搗等原因?qū)е鹿飧衅魇ъ`，所以在實(shí)際操作上有待進(jìn)一步的研究。光纖傳感器在土木工程中對(duì)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)變得越來(lái)越活躍，實(shí)測(cè)得出的數(shù)據(jù)對(duì)道路橋梁等工程的維護(hù)、安全有重要的作用。鋪設(shè)的光感器和裂縫方向有接觸，在不需知道裂縫方向的前提下，可以通過(guò)計(jì)算對(duì)形成裂縫的原因進(jìn)行詳細(xì)分析。在大體積混凝土澆筑時(shí)釋放大量的熱，光纖溫度傳感器可以檢測(cè)混凝土內(nèi)部的溫度，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制溫度預(yù)防溫度裂縫的產(chǎn)生。光纖感溫傳感器因其具有較高的靈敏度，不受電磁干擾，長(zhǎng)久的耐用性以及較精準(zhǔn)的定位性等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用在隧道的消防安全保護(hù)工作中［7］。光纖氣體傳感器可以對(duì)對(duì)空氣中氣體進(jìn)行檢測(cè)。在瀝青路面鋪設(shè)光纖光柵得到的應(yīng)力應(yīng)變波形圖通過(guò)模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比可以進(jìn)一步的對(duì)瀝青路面的病害進(jìn)行研究。

3結(jié)論

光感技術(shù)已發(fā)展20年有余，在很多的領(lǐng)域都發(fā)揮了重要的作用，但是在工程應(yīng)用領(lǐng)域特別是國(guó)內(nèi)，傳感器還處于初步的研究和開(kāi)發(fā)階段，其自身的技術(shù)、材料、耐久性、準(zhǔn)確性以及造價(jià)等一些問(wèn)題有待解決。盡早的讓光纖技術(shù)成熟化和商業(yè)化對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的建筑、公路、橋梁等的研究有巨大的幫助。使用光纖傳感技術(shù)可以對(duì)橋梁、公路、建筑等進(jìn)行長(zhǎng)期檢測(cè)，進(jìn)而可以有效地降低安全事故的發(fā)生，有效的保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全;也可以合理地分析各方面的病害對(duì)工程實(shí)體造成影響的原因。未來(lái)越來(lái)越多的智能技術(shù)會(huì)應(yīng)用到土建工程中來(lái)，光纖傳感技術(shù)在土建工程中擁有較為廣闊的前景，它不僅可以給土建工程檢測(cè)帶來(lái)全新的發(fā)展方向，而且也具有重大的科學(xué)意義和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

［4］武林，潘文娜，殷宗敏，等．光纖光柵的應(yīng)用研究［J］．光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2005(1):6－10．

［5］蔡德所．光纖傳感技術(shù)在大壩工程中的應(yīng)用［M］．北京:中國(guó)水利水電出版社，2002．

［6］薛偉辰，鄭喬文．光纖傳感器在建筑工程中的應(yīng)用研究［J］．建筑技術(shù)，2006，37(11):833－835．

［7］康明．光纖感溫探測(cè)技術(shù)在隧道消防保護(hù)中的應(yīng)用［J］．山西建筑，2004，34(16):308

作者：王沖  單位：山東科技大學(xué)土木與建筑學(xué)院