基于分布式光纤布拉格光栅的混凝土桥梁挠度监测方法

(一)本发明涉及桥梁挠度监测领域，具体是一种基于分布式光纤布拉格光栅的混凝土桥梁挠度监测方法。

背景技术：

0、(二)背景技术

1、混凝土桥梁在投入长期使用后，日积月累不可避免地会出现损伤逐渐累积的现象。在面临沉重承载的情况下，桥梁将显著地出现挠度变化，倘若这一变化逾越了桥梁所能承受的临界阈值，便极有可能会导致严重后果。因此，对混凝土桥梁挠度变化的持续监测，可以有效降低结构的危险系数，避免不幸事故的发生。

2、现阶段，传统的挠度监测设备，如百分表、伸长计和机械测距仪在桥梁结构性能监测中面临诸多挑战，暴露出局部挠度捕捉能力有限、操作耗时、不适于长期监测等问题。因此，新兴的挠度监测技术，如差分gps、无人机和激光测距仪，正逐步被引入大型混凝土桥梁的长期挠度监测中。但是，差分gps的测量精度较低，且易受天气与高楼遮挡影响；无人机受风力等天气条件影响较大，且难以形成监测网络；激光测距仪受光束制约性大，光束倾斜变化将直接影响监测准确性，且仪器固定和校准不便。

3、上世纪末至今，光纤传感技术以其简单可靠、灵敏度高、便于构成传感网络等特点而迅速发展，成为传感器技术发展的主流方向，广泛应用于各类传感领域。近年来，随着分布式光纤感应技术的持续进步，一些研究者利用布里渊光时域分析、布里渊光频域分析技术等方法进行桥梁挠度监测，均存在受环境因素影响大的问题。

技术实现思路

0、(三)
技术实现要素：

1、本发明为解决现有桥梁挠度监测方法中存在的不足，研究了一种基于分布式光纤布拉格光栅的混凝土桥梁挠度监测方法，能够可靠、实时、快速、有效的监测桥梁的挠度变化，具体技术方案如下：

2、基于分布式光纤布拉格光栅的混凝土桥梁挠度监测方法，包括以下步骤：

3、步骤一.确定监测总长l，延桥梁长度方向将监测总长l平均分成长度为l的i段(i为偶数)，将其编为1～i号单元，各个单元首尾设定为端点，桥梁一共有(i+1)个端点；

4、步骤二.步骤一划分的第2～(i-1)号单元首尾共(i-1)个端点设定为分布式光纤布拉格光栅传感器(i-1)个布拉格光栅的中心点，且此(i-1)个端点为(i-1)个长度为l的监测区间中点，在(i-1)个监测区间的总长范围内，分别在桥梁底部与桥梁上部布设以平行拓扑方式分布的分布式光纤布拉格光栅传感器；

5、步骤三.对步骤二中划分的第(i-1)个监测区间内桥梁上部与桥梁底部的布拉格光栅中心波长数据进行采集，获取任意荷载工况作用下第(i-1)个监测区间内桥梁底部与桥梁上部的应变值；

6、步骤四.利用平行拓扑原理建立步骤三中各监测区间的应变值与曲率的关系式，计算出第(i-1)个监测区间的平均曲率，第(i-1)个监测区间的平均曲率视为第i个端点处的曲率值；

7、步骤五.运用有限积分法与拉格朗日插值法建立步骤四中各端点曲率值与挠度值的关系函数，推导出桥梁第2～i号端点处的挠度值。

8、进一步的，步骤一所述的监测总长l定义为桥梁某跨两侧的支座间距，默认第1个端点与第(i+1)个端点处的曲率值为0、挠度值为0。

9、进一步的，步骤二所述的分布式光纤布拉格光栅传感器的光纤被预先施加力，在监测区间内处于拉直状态，并于(i-1)个监测区间两端处固定。

10、进一步的，步骤三所述的第(i-1)个监测区间内桥梁底部的布拉格光栅中心波长数据与应变值的关系式为：

11、εl(i-1)＝(λl′(i-1)-λl(i-1))/λl(i-1)/(1-ρe)

12、式中：εl(i-1)表示第(i-1)个监测区间内桥梁底部的应变值；λ'l(i-1)表示第(i-1)个监测区间内桥梁底部的布拉格光栅在荷载工况作用下的中心波长数据；λl(i-1)表示第(i-1)个监测区间内桥梁底部的布拉格光栅的初始中心波长数据；ρe为光纤有效弹光系数。

13、进一步的，步骤三所述的第(i-1)个监测区间内桥梁上部的布拉格光栅中心波长数据与应变值的关系式为：

14、εu(i-1)＝(λ'u(i-1)-λu(i-1))/λu(i-1)/(1-ρe)

15、式中：εu(i-1)表示第(i-1)个监测区间内桥梁上部的应变值；λ'u(i-1)表示第(i-1)个监测区间内桥梁上部的布拉格光栅在荷载工况作用下的中心波长数据；λu(i-1)表示第(i-1)个监测区间内桥梁上部的布拉格光栅的初始中心波长数据。

16、进一步的，步骤四所述的第(i-1)个监测区间内的平均曲率、第i个端点处的曲率值与应变值的关系式为:

17、

18、式中：表示第(i-1)个监测区间内的平均曲率；ki表示第i个端点处的曲率值；h表示第(i-1)个监测区间处布设于桥梁上部与桥梁下部的分布式光纤布拉格光栅传感器的距离。

19、进一步的，步骤五所述的桥梁第i个端点处的挠度计算公式为：

20、

21、式中：fi表示第i个端点处的挠度值；[a(i)]表示能够筛选出(i+1)×1阶矩阵第i个元素的1×(i+1)筛选矩阵；[x]表示(i+1)个端点以相对原点的距离组成的(i+1)×1阶矩阵；x(i+1)表示为[x]中第(i+1)个元素；[d]表示(i+1)×(i+1)阶曲率-挠度转换矩阵；[k]表示(i+1)个端点处曲率值组成的(i+1)×1阶矩阵；[d(i+1)]表示曲率-挠度转换矩阵[d]中的第(i+1)行。

22、本发明的优点

23、与现有技术相比，本发明的优势在于：

24、(1)本发明的桥梁挠度监测方法适用于静力荷载及移动荷载，在桥梁的底部与上部固定分布式光纤布拉格光栅传感器，能够高频性得到多个波长数据，便于形成监测网络。

25、(2)本发明的桥梁挠度监测方法采用在梁外部粘贴分布式光纤布拉格光栅传感器，不需要埋入桥梁结构的混凝土中，降低了现场施工难度，同时采用了温度补偿技术消除温度的影响，提高了监测结果的准确性。

26、(3)本发明的桥梁挠度监测方法思路简洁明了，通过分布式光纤布拉格光栅传感器测得的桥梁底部与上部各监测区间的波长数据，利用光纤布拉格光栅解调仪将波长数据发送给监控主机，在监控主机中进行波长-应变-曲率-挠度的数据处理流程，便能计算出桥梁各端点位置的挠度值，进而得到桥梁整体变形情况。

技术特征：

1.基于分布式光纤布拉格光栅的混凝土桥梁挠度监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤布拉格光栅的混凝土桥梁挠度监测方法，其特征在于，步骤一所述的监测总长l定义为桥梁某跨两侧的支座间距，默认第1个端点与第(i+1)个端点处的曲率值为0、挠度值为0。

3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤布拉格光栅的混凝土桥梁挠度监测方法，其特征在于，步骤二所述的分布式光纤布拉格光栅传感器的光纤被预先施加力，在监测区间内处于拉直状态，并于(i-1)个监测区间两端处固定。

4.根据权利要求1所述的基于分布式光纤布拉格光栅的混凝土桥梁挠度监测方法，其特征在于，步骤三所述的第(i-1)个监测区间内桥梁底部的布拉格光栅中心波长数据与应变值的关系式为：

5.根据权利要求1所述的基于分布式光纤布拉格光栅的混凝土桥梁挠度监测方法，其特征在于，步骤三所述的第(i-1)个监测区间内桥梁上部的布拉格光栅中心波长数据与应变值的关系式为：

6.根据权利要求1所述的基于分布式光纤布拉格光栅的混凝土桥梁挠度监测方法，其特征在于，步骤四所述的第(i-1)个监测区间内的平均曲率、第i个端点处的曲率值与应变值的关系式为:

7.根据权利要求1所述的基于分布式光纤布拉格光栅的混凝土桥梁挠度监测方法，其特征在于，步骤五所述的桥梁第i个端点处的挠度计算公式为：

技术总结
本发明涉及光纤传感领域一种基于分布式光纤布拉格光栅的混凝土桥梁挠度监测方法。本发明为解决现有桥梁挠度监测方法中仪器安装不便、易受环境影响以及难以组网等问题。提供了一种基于分布式光纤布拉格光栅的混凝土桥梁挠度监测方法，包括以下步骤：确定监测总长，划分单元与端点；在桥梁底部与上部以平行拓扑方式布设分布式光纤布拉格光栅传感器，划分监测区间；采集波长数据，获取荷载工况下各监测区间桥梁底部与上部的应变值；利用平行拓扑原理计算出各个端点的曲率；运用有限积分法与拉格朗日插值法，计算出各端点挠度值。本发明的方法思路简单，通过波长‑应变‑曲率‑挠度的数据处理流程，得到桥梁多点处挠度值，具有一定的工程使用价值。

技术研发人员：李文超,崔洋,邢键,崔双龙,何学兰
受保护的技术使用者：东北林业大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/23