CN109655007A - 一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法，该方法是通过利用光纤布拉格光栅技术检测反射光中心波长的漂移，对特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土结构应变进行监测。本发明的监测方法具有监测距离长、监测范围大、监测角度广，监测准确性和测试精度高、定位精准的优点，并且设备成本低、能耗低、耐腐蚀、抗电磁干扰，长期稳定好，易于集成，能满足特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测的要求。

Description

一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法

技术领域

本发明涉及一种桥梁监测方法，特别是一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法。

背景技术

通过对桥梁结构健康状态的监测与评估，为桥梁在各种气候、交通条件下和桥梁运营状况异常时发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理措施提供依据，并通过及时采取措施达到防止桥梁坍塌、局部破坏，保障和延长桥梁的使用寿命的目的。我国的桥梁结构健康监测尚处初期阶段，随着桥梁结构健康监测工作的深入开展，在远距离监测、提高***可靠性、完善数据处理和分析理论等方面还需要提高和完善，目前尚无现成的性能和数据评估方面的规范。目前常用监测方法存在以下缺点：

(1)几何光学测量手段不仅在长期监测过程中耗费大量的人力及时间成本，而且不能保证监测数据的时效性，监测数据需要后期人工输入数据库，分析监测结果具有不可避免的滞后性。

(2)振弦式传感器是机械结构式原理，以钢弦为转化元件，存在滞后的特性，因此，只能适用于静态和不大于10Hz的准动态测试。桥梁外部条件大多是动荷载、气候、侵蚀、撞击和其他突发事件的作用等，振弦式传感器适用性具有很大的局限性。

(3)普通传感器难以长期有效存活，桥梁外部受气候、侵蚀、撞击和其他突发事件及电磁干扰的作用下，极易对传感器及其引线造成腐蚀和变性破坏，使得传感器难以长期正常运行。因此普通电测类传感器将无法满足长期监测的任务。

(4)传统传感器多为点式传感器，不仅安装施工复杂，而且后期监测线路多且杂乱，难以进行大面积大范围监测，测试时需要人工监测，不能做到实时在线监测与评估。

(5)由于桥梁所处的地理环境复杂，极难做到人工长期检修，因此安装在其中的传感器一定要有着高寿命，长期稳定，无需经常更换。

(6)现有的桥梁结构监测和状态评估***大多属于单一的监测***或者是单一的管理***，不易做到集成融合统一监测分析平台。

因此探索并形成稳定、可靠的监测***、明确各项参数指标、科学获取与处理监测数据、形成监测规范等工作是桥梁结构健康监测今后的发展与努力方向。目前急需一种长期稳定性高，环境适应性强，安装方便的实时在线自动化监测与评估技术来解决该问题。

光纤传感技术是二十世纪八十年代伴随着光导纤维及光纤通讯技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒介，感知和传输外界信号的新型传感技术。目前研制成功的光纤传感器可以实现绝大部分物理量的监测，包括应变、温度、振动、位移、压力、声、流量、粘度、光强以及其它化学、生物医学和电流、电压参量等，已广泛地应用于航空航天、国防军事、土木、水利、计量测试、电力、能源、环保、智能结构、自动控制和生物医学等众多领域。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法。本发明的监测方法具有监测距离长、监测范围大、监测角度广，监测准确性和测试精度高、定位精准的优点，并且设备成本低、能耗低、耐腐蚀、抗电磁干扰，长期稳定好，易于集成，能满足特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测的要求。

本发明的技术方案：一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法，通过利用光纤布拉格光栅技术检测反射光中心波长的漂移，对特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土结构应变进行监测。

前述的一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法中，所述方法是利用光纤布拉格光栅技术，测得光纤的波长值的变量，根据光纤的波长值的变量计算应变、应力和轴力，对特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土结构应变进行监测。

前述的一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法中，所述应变是利用公式：计算，式中λ_z0、λ_θ0、λ_r0分别为轴向光纤传感器、环向光纤传感器、径向光纤传感器的初始波长值；λ_zi、λ_θi、λ_ri分别为第i次测得的轴向光纤传感器、环向光纤传感器、径向光纤传感器的波长值；k为光纤材料限定的标定系数；ε_zi、ε_θi、ε_ri分别为测点的轴向应变、环向应变、径向应变。

前述的一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法中，所述应力是利用下式计算：

式中σ_zi、σ_θi、σ_ri分别为测点的轴向应力、环向应力、径向应力，(kPa)；E为混凝土的弹性模量，(kPa)；μ为混凝土的泊松比。

5、根据权利要求4所述的一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法，其特征在于：所述轴力是利用下式计算：

式中为截面平均轴向应力，(kPa)；A为截面积，(mm²)；P为截面轴力。

前述的一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法中，所述截面平均轴向应力是采用matlab软件对各测点的截面轴向应力进行曲线二次拟合得到轴向应力的截面分布形式，并取其平均值得到的。

前述的一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法中，所述各测点的截面轴向应力是通过将

中得出的替换中的E得到的各测点的轴向应力。

前述的一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法中，所述方法是按照以下步骤进行：

(A)选取监测点；

(B)制作光纤感测传感器；

(C)光纤感测传感器安装和植入；

(D)安装传输电缆；

(E)布置监测设备；

(F)监测数据；

(G)监测数据整理与分析。

前述的一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法中，所述监测点是采用四根拱肋钢管布置监测点，选取下弦内侧管、下弦外测管、上弦外侧管和上弦内侧管布置监测点，在每根拱肋钢管取半拱布置监测点，在下弦内侧管和上弦外侧管两根钢管的拱脚、1/4跨径、跨中和跨中前1/12跨径四个特征截面作为监测点布置截面；在下弦外测管和上弦内侧管的拱脚、1/4跨径、跨中前1/12跨径三个特征截面作为监测点布置点截面；在每个监测截面的截面形心、上R/2、上R、下R/2、下R、左R/2、左R、右R/2、右R 9个位置设置监测点，每个监测点布置三个传感器：轴向应变监测传感器、径向应变监测传感器、环向应变监测点；并在每个截面形心位置和管壁位置各布置一个温度传感器。

前述的一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法中，所述监测设备为32通道无线值守型调制解调仪。

前述的一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法中，所述监测数据整理与分析是基于同一截面上的各点的应变值或应力值，采用matlab进行数据分析、拟合，得出不同时期的截面应变或应力分布形式、同一时期不同截面的截面应变或应力分布形式和同一截面不同时期的截面应变或应力分布形式。

光纤布拉格光栅技术原理

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Gratting，简称FBG)通常采用相位掩模法进行写入：利用光敏光纤的光致折射率变化，将光敏光纤贴近相位掩模，利用相位掩模的近场衍射所产生的空间干涉条纹在光纤中形成折射率的周期性变化，从而形成光纤光栅。布拉格光纤光栅的折射率沿光纤轴向呈周期性分布，具有良好的波长选择特性，满足布拉格衍射条件的入射光(波长为λB)在FBG处被耦合反射，其它波长的光会全部穿过而不受影响，反射光谱在FBG中心波长λB处出现峰值，如图8所示；

布拉格衍射条件可表示为：

λ_B＝2n_eff·Λ (1式)

式中，λ_B为FBG中心波长；n_eff为纤芯的有效折射率；Λ为光纤光栅折射率调制周期。

FBG传感器周围的温度和应变的改变均能引起布拉格反射光中心波长λB的改变，它们满足关系式：

式中，Δλ为布拉格中心波长的变化，ε₁为光栅的轴向应变，ε₂、ε₃为光栅的其余两个主应变，p₁₁、p₁₂为光弹性系数，β₀为热膨胀系数和热光系数的和，ΔT为温度变化。

当光栅所在处的光纤仅产生轴向应变ε，环向不承受压力时，上式化为：

式中，μ为泊松比。可简化为

式中，Pe为有效光弹系数，其值约为0.22。

温度变化会引起光纤折射率的变化，同时也会引起栅距的变化，当温度变化为ΔT时，将引起布拉格波长λ_B产生移动Δλ，可以表示为

式中α为光纤的热膨胀系数，ζ为光纤的热光系数，对于普通掺锗光纤α约为0.55×10-6/℃，ζ约为8.3×10-6/℃其值为8.3×10-6。

由(4式)、(5式)两式得到同时考虑应变ε与温度变化ΔT时所引起的波长移动Δλ

由上面的分析可以知道，应变和温度的变化量与反射光中心波长λ_B的位移有良好的线性关系。利用解调设备，通过检测反射光中心波长的漂移，实现对环境温度和结构应变的监测。根据(6式)，在将某种光纤光栅用作传感器时，必须首先标定应变灵敏度系数(1-P_e)和温度灵敏度系数(α+ζ)。

与现有技术相比，光纤传感技术在特大桥更公家混凝土变形监测应用中表现出众多优势：

(1)长距离、大范围监测；分布式监测(数十公里)可进行长距离无盲区的全覆盖监测；大型混凝土工程为大范围工程，光纤感测技术能满足其长距离、大范围监测的需求；

(2)分布式不漏监；分布式感测光缆可以实现做到大型混凝土工程线路的全长覆盖，对于覆盖到每一点都可以监测；

(3)耐腐蚀、抗电磁干扰，长期稳定好；分布式感测光缆其本质为二氧化硅，性质稳定、天生绝缘，长期稳定工作传感性质不发生变化；

(4)多参量测量技术；通过一根光缆，采用不同调制解调技术，可以实现对应变、温度、以及震动等多变量感测，从压力、温度、震动、变形等多角度进行测。

(5)绝缘、无需现场供电；光纤传感器内传输的是光信号，本征绝缘安全，解调仪器设备通过发射和接收光信号，来对光纤传感器进行测试；传感器无需现场供电，能耗低；

(6)***成本低，易于集成；对于大面积、大范围线性工程监测，光纤传感技术均摊成本低廉；通过波分、时分复利用技术可以实现光纤传感器多点多参量串联监测，易于构建网络化监测；其测试解调***可实现模块化，易于***集成；

(7)测试精度高，定位精准；精准定位可以测试异常区进行精准定位，光纤监测技术可以实现几个微应变的测试精度；

并且相对普通的应变计，本发明将传感器串接，而普通应变计是每个应变计都需要单独连一根线，本发明的使用的线路更少，另外普通应变计任何位置断掉该应变计就丧失监测功能，而将传感器串接的方法，当线路内有一处断掉，仍然可以正常收集数据。

为证明本发明的效果，发明人将本发明方案应用到大小井特大桥检测中：

大小井特大桥作为贵州省余庆到安龙高速公路平塘至罗甸段的控制性工程之一，大桥横跨大井河及乡村道路，位于罗甸县沫阳镇董当乡大井村，距离省级风景区大小井约1.5km。桥梁呈北东-南西走向，主桥中心桩号为K70+655.0，左幅桥长1501m；右幅桥长1486m。

主桥采用计算跨径450m的上承式钢管混凝变截桁架拱，拱轴线采用悬链线，拱轴系数m＝1.55，矢高h＝100m，矢跨比f＝1/4.5。

主拱圈采用等宽度空间桁架结构，断面高度从拱顶8m变化到拱脚14m(中到中),单片拱肋宽度4m(中到中)，横桥向两片拱肋间的中心距拱脚和拱顶处均为16m。肋间设置横联和米撑。上、下弦拱肋钢管外径1360m，拱肋下弦管自拱脚到拱顶壁厚分别为35mm、32mm、28mm。钢管拱肋对接接头采用内法兰盘、管外焊接的形式进行连接。管内灌注C60自密实微膨胀混凝土。

主拱圈节段划分按构件运输长度和吊装重量控制，从拱脚至拱顶共划分为14个节段，全桥共分58个节段。

一、监测目的

本次监测要达到以下目的：

1、监测上、下弦肋钢管内混凝土在拱脚、1/4跨径、跨中和跨中前1/12跨径4个特征截面的轴向平均应变平均应力轴力P_z，探析上、下弦肋钢管受力的差异性。

2、监测内侧、外侧肋钢管内混凝土在拱脚、1/4跨径、跨中和跨中前1/12跨径4个特征截面的轴向平均应变平均应力轴力P_z，探析内侧、外侧钢管受力的差异性。

3、监测上弦肋、下弦肋、内侧、外侧钢管内混凝土在拱脚、1/4跨径、跨中和跨中前1/12跨径4个特征截面形心、上R/2、上R、下R/2、下R、左R/2、左R、右R/2、右R9个位置的轴向应变值，分析各根管、各特征截面轴向应变沿竖向和横向两个方向的分布规律。

4、监测上弦肋、下弦肋、内侧、外侧钢管内混凝土在拱脚、1/4跨径、跨中和跨中前1/12跨径4个特征截面形心、上R/2、上R、下R/2、下R、左R/2、左R、右R/2、右R 9个位置的径向应变值，分析各特征截面径向应变沿竖向和横向两个方向的分布规律。

5、监测上弦肋、下弦肋、内侧、外侧钢管内混凝土在拱脚、1/4跨径、跨中和跨中前1/12跨径4个特征截面形心、上R/2、上R、下R/2、下R、左R/2、左R、右R/2、右R 9个位置的环向应变值，分析各特征截面环向应变沿竖向和横向两个方向的分布规律。

6、根据2、3、4条中的三维应变值，计算7个特征截面的9个点的三维应力值，并分析其随时间的变化规律。

二、监测点布置

主拱圈一共有8根拱肋钢管，本次在下游侧四根肋管采用布置监测点。下弦内侧管为监测管1，下弦外弦管为监测管2，上弦外侧管为监测管3，上弦内侧管为监测管4。

在每根拱肋钢管取半拱布置监测点，在监测管1和监测管3两根钢管的拱脚、1/4跨径、跨中和跨中前1/12跨径四个特征截面作为监测点布置截面。在监测管2和监测管4的拱脚、1/4跨径、跨中前1/12跨径三个特征截面作为监测点布置点截面。

具体截面位置为：

监测截面一：节段一底部；

监测截面二：节段七顶部；

监测截面三：节段十三顶部；

监测截面四：节段十四顶部。

在每个监测截面的截面形心、上R/2、上R、下R/2、下R、左R/2、左R、右R/2、右R 9个位置设置监测点，每个监测点布置三个传感器：轴向应变监测传感器、径向应变监测传感器、环向应变监测点；同时为了消除温差变化对应变值的影响，在每个截面形心位置和管壁位置各布置一个温度传感器进行温度补偿。

三、实施方案

(一)光纤感测传感器制作

1、轴向应变感测传感器

为了保证传感对变形的敏感性，结合现场实际情况轴向应变监测采用封装好的应变计作作为感测传感器(图3)，将9支轴向应变计串联成一个光纤串，引出两个感测跳线头，各传感器间传输线长度和两头引线长度见表1，表中传感器编号见图4。

表1 轴向应变传感器间布线长度(连接线全部铠装线)

2、径向应变和环向应变感测传感器

径向应变监测和环向应变监测采用裸纤作为感测传感器，首先在室内预先采用打栅机加工点式裸栅，径向应变10个监测传感器串联成一个光栅串从两头引出跳线接头，其中前1#-5#、6#-10#裸纤点埋入钢筋中。5#和6#裸纤点之间的连接线由于外露，必须采用铠装连接线，从裸纤点测点引出不小于20mm须为铠装连接线。各裸纤点之间的间距见表2。

表2 径向应变传感器间布线长度

环向应变8个监测传感器串联成一个光栅串从两头引出跳线接头，其中前1#-4#、5#-8#裸纤点埋入钢筋中。4#和5#裸纤点之间的连接线由于外露，必须采用铠装连接线，从裸纤点测点引出不小于20mm须为铠装连接线。各裸纤点之间的间距见表3。

表3 环向应变传感器间布线长度

(二)光纤感测传感器安装和植入

1、轴向应变感测传感器绑扎

选取5根1000m和4根1040mm(包括两头20mm的直角弯钓段)长的φ14mm螺纹钢筋，根据编号依次将轴向应变传感器采用4点绑扎法绑扎在钢筋上。其中1#、5#、6#和9#轴向应变传感器绑扎在带直角弯钓的钢筋上，传感器绑在直角弯钓的反向侧。

2、径向应变和环向应变感测传感器植入

(1)钢筋选取

径向应变选取2根1240m长的φ14mm螺纹钢筋，表面长肋应顺直无铁斑。环向钢筋选取4根φ14mm螺纹钢筋：三根长3767mm；一根长1885m。

(2)钢筋打磨

在钢筋表面紧靠通长肋的位置用打磨机打磨出一个通长的“V”字形小凹槽。环向钢筋打磨好后采用弯曲机弯成圈，3767mm长的钢筋弯成直径1200mm的圆圈，1885m长的钢筋弯成直径600mm的圆圈，两头暂不焊接。

(3)酒精除尘并临时固裸纤

采用无尘纸或酒精绵将“V”凹槽擦拭干净，用记号笔标记好测点位置，将裸纤放入“V”凹槽中，采用纸胶带临时固定裸纤，再次确定测点位置无误后用502胶在测点两侧固定测点裸纤。

(4)打胶

将预先准备好的1：1双组分胶采用专业打胶枪压入“V”凹槽。

(5)穿线保护

采用3mm直径小软管套在裸纤上进行保护。

(6)抹胶两端线熔接。

将两端裸纤与引线采用光纤熔接机进行加热熔接。

3、单监测截面温度传感器的绑扎

采用封装好的温度传感器进行温度监测，中心温度传感器在3#轴向应变传感器附近绑扎，管壁温度传感器，可在靠近管壁位置的1#、5#、6#或9#轴向应变传感器附近绑扎；两个温度传感器串联后两头引线引出，一根钢管一共6个(或8个)温度传感器串成一个光纤串采用两个跳线头进行监测，监测管1和监测管3布置了4个点截面，则有8个温度传感器，而监测管2和监测管4布置了3个点截面则有6个温度传感器。

4、单监测截面传感器管内安装

(1)依次并未封闭的定位钢圈、两个测试钢圈、定位钢圈人工掰成螺旋形后从拱肋钢管端头法兰盘的劲板位置旋入钢管中(见图7)，并定位好，将两端头、两定位钢圈上的十字横筋焊接牢固；

(2)将监测钢圈两端头焊接牢固，径向应变监测钢筋与两环向应变监测钢圈之间采用绑扎连接；

(3)将9根轴向应变监测传感器所在轴向钢筋放入，1#、5#、6#、9#钢筋在定位钢圈的内侧并且直角弯钓向外，2#、4#、7#、8#钢筋在小监测钢圈的外侧，按图示位置放置后，两头与定位钢圈搭接位置采用电焊焊接固定。与环向应变监测钢圈、径向应变监测钢筋搭接位置处采用扎丝绑扎牢固。

(三)传输电缆安装

每个监测断面有8条端口，将8条端头线从钢管或法兰端头板钻孔引出后将8条端头做好标记与8芯光缆中的各色单芯线进行熔接从拱架上引上到跨中位置进行连机监测。各个监测断面所需的六芯光缆长度为：

监测截面一：270m；

监测截面二：140m；

监测截面三：20m；

监测截面四：10m；

温度传感器的传输线在每个截面引出后进行熔接，单管所有截面串联后引至拱顶。

所用监测截面的传输线集成后引至拱顶，在拱顶安装无线值守型调制解调仪进行监测。

(四)监测设备布置

选用32通道无线值守型调制解调仪作为检测设备。

32通道无线值守型调制解调仪是一款无线传输十六通道光纤光栅解调仪，实时无线传输数据，无需人员值守，尤其适合环境恶劣的测试现场；该***可精确测量光纤光栅的反射波长，一体化程度高，采用防水、防尘、防结露设计，保证了长时间户外测试的安全性。

设备有以下特点：

◎采用全密封模块式结构，高度集成，防水、防尘、防结露；

◎使用高性能DTU实时无线传输数据；

◎提供内置电池和外部电源两种供电方式，适用性广；

◎数据可无限发送以及本地保存，双重备份，仪器具有远程重启与自唤醒功能；

◎32通道独立测试，可串联多个传感器；

◎可同时串接应力、应变、温度、位移、压力、加速度等各类光纤光栅传感器，实现多用途；

◎波长分辨率可达到1pm。

其性能参数见表4。

表4 三十二通道无线值守型光纤光栅解调仪性能参数

(五)监测频率

由于混凝土凝结过程中会放出大量的水化热，光纤对温度变化敏感，所以三维应变的监测从钢管混凝土凝期到28d天开始测读，凝期刚满28d对应的光纤波长为初始波长。随后的监测频率见表5。

表5 监测频率

(六)监测数据整理与分析

1、应变计算

光纤光栅测得的直接变量是光纤的波长值，需转变为应变值：

式(1)中，，λ_z0、λ_θ0、λ_r0、λ_T0分别为轴向光纤传感器、环向光纤传感器、径向光纤传感器、温度传感器的初始波长值；λ_zi、λ_θi、λ_ri、λ_Ti分别为第i次测得的轴向光纤传感器、环向光纤传感器、径向光纤传感器、温度传感器的波长值；ε_zi、ε_θi、ε_ri分别为测点的轴向应变、环向应变、径向应变。

2、应力计算

根据广义虎克定律，忽略剪切应变对正应力产生的影响，可得测点的应力值为：

式(2)中，σ_zi、σ_θi、σ_ri分别为测点的轴向应力、环向应力、径向应力，(kPa)；E为混凝土的弹性模量，(kPa)；为混凝土的泊松比。

3、轴力计算

拱肋钢管混凝土轴向受力是一个复杂的力学问题，假设钢管和内侧混凝土在轴向是协调变形的，而在计算截面应力时应采用综合弹性模量：

式(3)中，E_c、E_s分别为混凝土和钢管的弹性模量，(kPa)；D₁、D₂分别为钢管的内径和外径，(mm)。将式(3)得出的替换式(2)中的E得到各测点的轴向应力。采用matlab软件对截面轴向应力进行曲线二次拟合得到轴向应力的截面分布形式，并取其平均值得截面平均轴向应力(kPa)；乘于截面积A(mm²)即可得截面轴力:

4、钢管混凝土环向应变(力)、径向应变(力)分布形式分析

基于同一截面上通过式(1)和式(2)计算得出的各点的应变(力)值，采用matlab强大的数据分析、拟合功能得出不同时期的截面应变(力)分布形式。

同一时期可进行不同截面的截面应变(力)分布形式对比分析，研究其潜在规律。

还可进行同一截面不同时期的截面应变(力)分布形式对比分析，研究其随时间变化规律。

检测管1监测情况如下

检测管1于2018年8月17日开始灌注，8月19日中午灌注结束。数据为8.17-11.15。

一、检测结果

各截面径向应变在灌注初期变化较大，随着施工进程，逐渐趋于稳定；随着截面位置的升高，径向应变的绝对值增大。

各截面监测点环向应变同样在灌注初期变化较大，随着施工进程，应变均在一定范围内波动。

同环向应变与径向应变，在灌注初期，监测点在轴向应变上也出现了较大的压应力，这可能是初期温度上升较快，由于传感器与混凝土的热膨胀系数不一致，传感器热膨胀系数较混凝土大约高一个数量级，导致传感器与混凝土之间产生了压应力。

二、结果分析

(1)温度

管内不同截面处温度场基本一致，在灌注后30h左右温度达到最大值，圆心处最高温约75—85℃，管壁处最高温约52—64℃。随后温度急剧下降，前三天内降温速率可达9-12℃/d，后期逐渐稳定。

管壁温度与当地环境温度曲线几乎一致，介于当地最高温与最低温之间。而圆心与管壁处的温度变化总体一致，但管壁受环境温度影响较大，说明环境温度可以影响至管内核心处。

(2)实际工况分析

为表现钢管拱实际受力，选取灌注前数小时的读数作为初始值，以反映钢管拱受到荷载、温度、膨胀剂等多因素叠加的应力分布，同时对比7d、28d、42d、60d、90d龄期时拱脚、拱腰以及拱顶位置的受力状态。

径向应变

从图9的监测数据看出，拱脚处径向圆心受拉膨胀，向管壁方向逐渐转变为压应变，同时随着龄期增长至28d左右，中心膨胀区拉应力越大，28d后拉应力基本稳定。

拱腰处径向总体呈现中心膨胀，向管壁方向压应变逐渐增大，随龄期增长，膨胀区的拉应力和压缩区的压应变均相应减小，表明管壁周边的压应力是受混凝土膨胀引起的。

拱顶底处径向可明显分为膨胀区与压缩区。膨胀区位于管截面上部，下部为压缩区。随着龄期发展，膨胀拉应力先减小再增大，而压缩区则表现为先增大后减小的趋势。

三处截面中，拱脚处应变云图具有明显的轴对称特征，拱腰处膨胀中心上移，而到拱顶底处膨胀区中心进一步上移，同时出现明显的压缩区。同一龄期时，随着截面位置从拱脚向拱顶升高，膨胀区的拉应力也明显增大。

环向应变

从图10各截面的环向云图显示其规律性并不明显。

轴向应变

拱脚处轴向应变中心多变，极不稳定，60d龄期后才逐渐稳定，形成管壁受压大，形心处受压相对较小的应力应变状态。

拱腰处轴向应变复杂，总体上承受压应力，仅在管壁处出现较小的拉应力。从拱腰轴向应变云图可以看出其以竖直方向对称，在对称轴上应变形态呈“弓”形。

拱顶底处的轴向应变稳定，各龄期表现的形态几乎一致，仅是压应变随施工进度而略有增大，均表现为中心区受压较大，向管壁压应变逐渐减小。

三处截面的轴向应变均以压应变为主，仅在拱腰管壁周边出现局部的拉应变。同时，拱脚处最大压应变约为200με，拱腰处约为600με，拱顶底处约为1000με，反映随着截面位置升高，其承受的压应力越大。

三、结论

总体上，各截面的环向应变规律不明显。在径向上，总体表现为中心膨胀，周边压缩，随着截面从拱脚向拱顶变化，膨胀中心向上部偏移。周边管壁径向受压可能是受到钢管套箍作用，使钢管与核心混凝土能更好地协同作用。轴向上各截面均受压，且越靠近拱顶承受的压应力越大。

综上所述，本发明的监测方法具有监测距离长、监测范围大、监测角度广，监测准确性和测试精度高、定位精准的优点，并且设备成本低、能耗低、耐腐蚀、抗电磁干扰，长期稳定好，易于集成，能满足特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测的要求。

附图说明

图1是监测截面示意图；

图2是单个监测截面监测点布置示意图；

图3是封装好的埋入式轴向应变传感器；

图4是轴向应变监测传感器编号示意图；

图5是径向应变和环向变监测编号示意图；

图6是轴向应变感测器整体布置和绑扎示意图；

图7是监测钢圈和钢筋安装示意图；

图8是FBG准分布式传感器测量原理图；

图9是径向应变云图；

图10是环向应变云图；

图11是轴向应变云图；

图12是图9、图10及图11中云图坐标示例。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例。一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法，如图1至图8所示，通过利用光纤布拉格光栅技术检测反射光中心波长的漂移，对特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土结构应变进行监测。

所述方法是利用光纤布拉格光栅技术，测得光纤的波长值的变量，根据光纤的波长值的变量计算应变、应力和轴力，对特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土结构应变进行监测。

所述应变是利用公式：计算，式中λ_z0、λ_θ0、λ_r0分别为轴向光纤传感器、环向光纤传感器、径向光纤传感器的初始波长值；λ_zi、λ_θi、λ_ri分别为第i次测得的轴向光纤传感器、环向光纤传感器、径向光纤传感器的波长值；k为光纤材料限定的标定系数；ε_zi、ε_θi、ε_ri分别为测点的轴向应变、环向应变、径向应变。

所述应力是利用下式计算：

式中σ_zi、σ_θi、σ_ri分别为测点的轴向应力、环向应力、径向应力，(kPa)；E为混凝土的弹性模量，(kPa)；μ为混凝土的泊松比。

所述轴力是利用下式计算：

式中为截面平均轴向应力，(kPa)；A为截面积，(mm²)；P为截面轴力。

所述截面平均轴向应力是采用matlab软件对各测点的截面轴向应力进行曲线二次拟合得到轴向应力的截面分布形式，并取其平均值得到的。

所述各测点的截面轴向应力是通过将

中得出的替换中的E得到的各测点的轴向应力。

所述方法是按照以下步骤进行：

(A)选取监测点；

(B)制作光纤感测传感器；

(C)光纤感测传感器安装和植入；

(D)安装传输电缆；

(E)布置监测设备；

(F)监测数据；

(G)监测数据整理与分析。

所述监测点是采用四根拱肋钢管布置监测点，选取下弦内侧管、下弦外测管、上弦外侧管和上弦内侧管布置监测点，在每根拱肋钢管取半拱布置监测点，在下弦内侧管和上弦外侧管两根钢管的拱脚、1/4跨径、跨中和跨中前1/12跨径四个特征截面作为监测点布置截面；在下弦外测管和上弦内侧管的拱脚、1/4跨径、跨中前1/12跨径三个特征截面作为监测点布置点截面；在每个监测截面的截面形心、上R/2、上R、下R/2、下R、左R/2、左R、右R/2、右R 9个位置设置监测点，每个监测点布置三个传感器：轴向应变监测传感器、径向应变监测传感器、环向应变监测点；并在每个截面形心位置和管壁位置各布置一个温度传感器。

所述监测设备为32通道无线值守型调制解调仪。

所述监测数据整理与分析是基于同一截面上的各点的应变值或应力值，采用matlab进行数据分析、拟合，得出不同时期的截面应变或应力分布形式、同一时期不同截面的截面应变或应力分布形式和同一截面不同时期的截面应变或应力分布形式。

Claims (10)

1.一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法，其特征在于：通过利用光纤布拉格光栅技术检测反射光中心波长的漂移，计算监测数据，对特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土结构应变进行监测。

2.根据权利要求1所述的一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法，其特征在于：所述方法是利用光纤布拉格光栅技术，测得光纤的波长值的变量，根据光纤的波长值的变量计算应变、应力和轴力，对特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土结构应变进行监测。

3.根据权利要求1所述的一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法，其特征在于：所述应变是利用公式：计算，式中λ_z0、λ_θ0、λ_r0分别为轴向光纤传感器、环向光纤传感器、径向光纤传感器的初始波长值；λ_zi、λ_θi、λ_ri分别为第i次测得的轴向光纤传感器、环向光纤传感器、径向光纤传感器的波长值；k为光纤材料限定的标定系数；ε_zi、ε_θi、ε_ri分别为测点的轴向应变、环向应变、径向应变。

4.根据权利要求3所述的一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法，其特征在于：所述应力是利用下式计算：

式中σ_zi、σ_θi、σ_ri分别为测点的轴向应力、环向应力、径向应力，(kPa)；E为混凝土的弹性模量，(kPa)；μ为混凝土的泊松比。

5.根据权利要求4所述的一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法，其特征在于：所述轴力是利用下式计算：

式中为截面平均轴向应力，(kPa)；A为截面积，(mm²)；P为截面轴力；

所述截面平均轴向应力是采用matlab软件对各测点的截面轴向应力进行曲线二次拟合得到轴向应力的截面分布形式，并取其平均值得到的。

6.根据权利要求5所述的一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法，其特征在于：所述各测点的截面轴向应力是通过将中得出的替换中的E得到的各测点的轴向应力。

7.根据权利要求1-6所述的一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法，其特征在于：所述方法是按照以下步骤进行：

(A)选取监测点；

(B)制作光纤感测传感器；

(C)光纤感测传感器安装和植入；

(D)安装传输电缆；

(E)布置监测设备；

(F)监测数据；

(G)监测数据整理与分析。

8.根据权利要求7所述的一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法，其特征在于：所述监测点是采用四根拱肋钢管布置监测点，选取下弦内侧管、下弦外测管、上弦外侧管和上弦内侧管布置监测点，在每根拱肋钢管取半拱布置监测点，在下弦内侧管和上弦外侧管两根钢管的拱脚、1/4跨径、跨中和跨中前1/12跨径四个特征截面作为监测点布置截面；在下弦外测管和上弦内侧管的拱脚、1/4跨径、跨中前1/12跨径三个特征截面作为监测点布置点截面；在每个监测截面的截面形心、上R/2、上R、下R/2、下R、左R/2、左R、右R/2、右R9个位置设置监测点，每个监测点布置三个传感器：轴向应变监测传感器、径向应变监测传感器、环向应变监测点；并在每个截面形心位置和管壁位置各布置一个温度传感器。

9.根据权利要求7所述的一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法，其特征在于：所述监测设备为32通道无线值守型调制解调仪。

10.根据权利要求7所述的一种特大桥钢管拱内灌注的管内混凝土变形监测方法，其特征在于：所述监测数据整理与分析是基于同一截面上的各点的应变值或应力值，采用matlab进行数据分析、拟合，得出不同时期的截面应变或应力分布形式、同一时期不同截面的截面应变或应力分布形式和同一截面不同时期的截面应变或应力分布形式。