[发明专利]适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器及方法

说明书

本发明公开了一种适用于钢管和混凝土界面裂缝、脱空监测光纤传感器及其方法，传感器包括固定机构、活动机构、光纤光栅、弹性元件与传输光纤，其中，所述活动机构设置于钢管内混凝土中，与设置混凝土外部的固定机构活动连接，所述活动机构和固定机构的内部依次通过弹性元件、光纤光栅和传输光栅连接，当钢管‑‑混凝土界面出现裂缝、脱空时，活动机构随混凝土移动，使光纤光栅受拉力作用中心波长发生变化，通过监测光纤光栅中心波长的变化情况，以实现钢管‑‑混凝土界面出现裂缝、脱空的实时监测。

技术领域

本发明属于光纤传感与桥梁安全监测技术领域，特别涉及一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器及方法。

背景技术

随着我国西部基础设施建设投入的迅速增加，桥梁等大型基础设施建设迎来了前所未有的黄金期。钢管混凝土拱桥由于具有承载能力高、抗震性能好、施工方便、综合经济效益好等诸多优点而得到桥梁工程师的青睐。钢管混凝土结构作为一种组合构件，唯有当二者紧密黏贴时才能完整发挥两种材料的联合受力性能，体现出组合结构的优越性。一旦钢管混凝土之间会出现裂缝或脱空，二者的相互作用减弱，将导致桥梁结构的承载能力严重下降，大大降低桥梁结构抵抗自然灾害的能力。由于钢管与混凝土为两种特性不同的材料，会随着桥梁服役时间增长，受到材料老化、环境侵蚀、交通量快速增长、荷载长期效应及突发性灾害等影响，二者界面产生裂缝甚至脱空，若不能及时对其进行监测和维修，轻则影响行车安全和桥梁使用寿命，重则将引起桥梁垮塌等突发事故，造成重大的人员伤亡与经济损失。

钢管内混凝土脱空、裂缝这一类质量缺陷或损坏，由于其隐蔽性和发生发展的时空随机性，其有效检测(不漏测、定量)的技术难度很高，目前主要有表观检测法、超声波检测法、电涡流探测法、红外成像法、γ射线法、回弹法、超声脉冲法等。但这些方法有的基于人工经验，不能实现定量检测，并且均为离线检测，实时性较差，且难以进行长期监测。因此，钢管内混凝土脱空、裂缝实时监测是钢管混凝土拱桥尚未解决的关键技术难题。

随着光纤传感技术的迅速发展，由于其具有体积小、响应速度快、防水防潮、良好的稳定性与耐久性等特点，为解决上述问题提供了有效的技术途径，但尚未出现采用光纤光栅传感技术实现拱桥钢管—混凝土界面裂缝、脱空的报道。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器及方法，本发明通过监测光纤光栅中心波长的变化即可实现钢管—混凝土界面产生裂缝、脱空的实时监测，具有结构简单、灵敏度高、防水防潮、易于安装的优点，具有较强的推广应用价值。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于钢管与混凝土界面裂缝、脱空监测的光纤传感器，包括固定机构、活动机构、光纤光栅、弹性元件与传输光纤，其中，所述活动机构设置于钢管内混凝土中，与设置混凝土外部的固定机构活动连接，所述活动机构和固定机构的内部依次通过弹性元件、光纤光栅和传输光栅连接，当钢管--混凝土界面出现裂缝、脱空时，活动机构随混凝土移动，使光纤光栅受拉力作用中心波长发生变化，通过监测光纤光栅中心波长的变化情况，以实现钢管--混凝土界面出现裂缝、脱空的实时监测。

所述固定机构包括固定端子、支架和法兰，所述固定端子为中空结构，上端设置有法兰，法兰内部贯穿有传输光纤，所述支架设置于固定端子下端。

所述活动机构包括外套管与底座，外套管活动套装与支架内部，所述底座的一端固定于混凝土内部，一端固定套装于外套管内部。

所述光纤光栅、弹性元件与传输光纤的外侧设置有内套管，所述内套管一端固定于底座内部，一端连接法兰内侧。

所述弹性元件为拉簧。

所述支架为不锈钢桶状结构，通过螺纹固定在钢管壁上。

所述外套管一端与支架滑动连接，另一端通过螺纹与底座固定连接，且其顶部沿管壁留有两个螺孔。