摘 要近年来，我国随着国民经济的发展，公路建设特别是高速公路建设呈现出迅猛发展的态势。预应力技术在桥梁工程中的使用越来越广泛和重要，预应力技术可以在很大程度上保证桥梁结构的稳定性和安全性，抵消桥梁结构承受的部分或全部荷载，一定程度上约束结构件裂纹的产生。各质监机构及各单位对桥梁预应力结构越来越重视，对预应力的施工和检测、监测要求越来越高。本文通过对光纤光栅智能钢绞线新型材料的工作原理、作用、加工与制作、施工工艺及在实际工程中运用进行介绍，让各位同仁们对光纤光栅智能钢绞线新型材料有更深入的认知、了解。
关键词：高速公路；桥梁预应力；光纤光栅智能钢绞线；监测；碳纤维复合筋；钢绞线；预制梁板；张拉；有效预应力
一、引言
随着现阶段我国桥梁工程建设的飞速发展，人们对桥梁结构安全提出了更高的要求。桥梁建设中预应力技术被广泛应该，预应力钢绞线的性能和预应力施工质量越来越被重视，随之形成的预应力钢绞线材料、预应力张拉施工机具设备、检测和监测仪器设备、检测方法也在不断的得到发展和创新，其目的都是为了使对结构施加的有效预应力能更接近设计理论值，并使其长期稳定服役于结构物中，确保结构安全可靠。在桥梁结构中，一旦梁板预应力施加完成到梁端封锚后，传统的预应力监测手段几乎不可能完成运营中桥梁梁板结构的预应力重复检测操作，只能通过梁板结构裂缝损伤、变形量等外观检测判定其内部应力工作状态，这对桥梁结构运营监测是非常被动和不利的，光纤光栅智能钢绞线的诞生及其监测方式，为我们解决了这一难题。
二、光纤光栅智能钢绞线的工作原理、作用
钢绞线可以依据用途分为预应力钢绞线、不锈钢钢绞线、渡锌钢绞线等，本文主要介绍预应力混凝土用钢绞线，通常是指由2丝、3丝、7丝或19丝的冷拉光圆钢丝或刻痕钢丝捻制后经特殊工艺处理而成的能达到一定力学性能和使用功能的钢绞线。
光纤光栅智能钢绞线是由普通预应力钢绞线与复合光纤光栅传感器的碳纤维复合筋（简称CFRP-OFBG筋）构成,通过向植入光纤光栅的钢绞线内射入特定波长的光并沿轴向方向传递，利用传感器等设备对光纤中光格栅的反射波长进行识别，测量出光格栅在钢绞线内部的位移变化。智能钢绞线除了具有传统钢绞线优异的力学指标，还具有优良的感知性能，可以实现自身的长期重复性监测。光纤光栅智能钢绞线除了可应用于桥梁结构以外，在其他结构物加的固与维修，挡土墙以及高边坡等地质灾害的锚索施工和坡面防护中都可适用。
光纤光栅智能钢绞线参数
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三、光纤光栅智能钢绞线的制作与标定
光纤光栅智能钢绞线是由桂林理工大学土木与建筑工程学院在结构实验大厅完成制作与标定工作。采用的钢绞线为1×7标准型，如图1所示，由1根直径为5.2mm的中心丝和6根直径为5.0mm的边丝绕中心扭绞捻制而成，碳纤维复合筋经过特殊工艺按一定螺旋角度植入中心丝，与钢绞线共同承受应力、应变。钢绞线公称直径15.2mm，截面面积140mm2（1×π×5.22/4+6×5.02/4=140mm2），抗拉强度1860MPa，最小屈服荷载225KN，最小极限承载力260KN。
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图1钢绞线原材料
光纤光栅传感器3dB带宽0.12nm ,反射率99.64%。
解调仪为Agilent86142B 光谱仪，波长范围1525~1510nm，采样频率1HZ，波长精度2.5pm，分辨率1 pm。
本次制作3根光纤光栅智能钢绞线，制作完成后进行了标定，标定数据如表1所示：
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依据标定数据，标定曲线如图2所示：
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图2智能钢绞线标定曲线
四、光纤光栅智能钢绞线的施工工艺及注意事项
光纤光栅智能钢绞线施工工艺类同普通钢绞线施工工艺。但需特别注意对智能钢绞线及接头（检测头）的保护。
施工注意事项：
1、在智能钢绞线的搬运、穿束过程中，应特别注意对接头段（检测头）的保护。
2、智能钢绞线在制作时应充分考虑设计时要求的下料长度及伸长量，以及需要进行张拉和检测的工作长度等相关要求。
3、正式张拉时，应先从零加载至伸长值测量起点的初张力，然后分级加载至所需的张拉力。
4、进行张拉作业时，须保证均匀的张拉速率。
5、在张拉结束后，应将接头放置在锚头保护罩内，防止接头段（检测头）受外力作用而损坏。
6、在施工过程中，切勿对智能钢绞线接头段（检测头）进行切割，应将植有光纤光栅的钢绞线检测头和传感器连接线露出结构物。
五、光纤光栅智能钢绞线在实际工程中的应用
本次对经标定的3根光纤光栅智能预应力钢绞线分别在预制梁板的不同束内进行放设，1#钢绞线用于K11+198.5乐平枢纽互通主线桥（北段）第20跨右幅3号梁中，具体位置和现场监测情况如图3所示；2#、3#钢绞线用于K11+198.5乐平枢纽互通主线桥（北段）第20跨右幅2号梁中，具体位置如图4、图5所示。
图3 1#钢绞线安放位置 图4 2#钢绞线安放位置
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图5 3#智能钢绞线安放位置 图6 智能钢绞线预留检测端口
在张拉持荷过程以及张拉完成后智能钢绞线中的光纤光栅可实现对钢绞线受力情况的监测，监测数据分别列如表2~4：
表2：1#智能钢绞线监测数据与张拉控制力及检测力对比
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从表中数据分析可以看出，在张拉持荷时，光纤光栅智能钢绞线所监测的力值与张拉控制力均值相比，稍有些离散，说明各根钢绞线受力当时是不均匀的，这与预应力钢绞线穿束施工有一定的关系，因此预应力钢绞线穿束前应加强施工质量管理，避免钢绞线在管道内缠绕，张拉前应进行预张拉调整，使各预应力束尽可能紧绷以尽量消除预应力钢绞线松弛造成的受力不均匀影响。但经过6小时后，检测站检测的锚下预应力值与光栅测量力值相差很小，这可能是张拉后钢绞线中应力逐渐自我调整所致。而且，检测站测量的力值均大些，这可能是由于光纤光栅所监测的位置位于梁内离锚具约0.5米左右，而张拉控制力与检测力为紧靠锚具后端的力，二者的差值是由于锚口摩阻造成的。
同时从上述情况可以看到，放置的3根光纤光栅智能钢绞线均与其他普通钢绞线一样完成了穿束投放、预应力张拉、预应力检测等施工作业流程，可见其具有良好的实用性和可操性。
六、相关结论
经以上光纤光栅智能钢绞线在预应力梁板中应用分析可知：
1）光纤光栅智能钢绞线对有效预应力的监测数据与检测站检测的数据相差较小，且规律性很强，说明此光纤光栅监测钢绞线的受力状态是有效、可靠且安全的。
2）光纤光栅智能钢绞线监测量程能达到张拉控制力，同时能很好的监测预应力筋张拉施工过程中预应力的变化，为预应力的损失及有效预应力的计算提供强有力的数据支撑。
3）改变光纤光栅智能钢绞线中光纤光栅的布设位置，可实现多点精准分布式精确测量，以达到预应力钢绞线在结构物内部不同部位的应力状态的监测，满足不同需求。
4）光纤光栅因质量轻、耐久性好、重复性好，以及可通过传感器实现远距离实时数据传输、预警监测等优点，可用于预应力钢绞线施工、运营的桥梁结构全过程监测（图6），减少桥梁运营时桥梁检测成本以及存在安全隐患时及时报警防止安全事故的发生。
5）其它传统的监测手段如磁通量传感器、压力计传感器，因其体积较大，无法植入体内，而光纤光栅传感器体积很小，能很好的耦合于钢绞线内部，实现其它传感器无法实现的体内预应力钢绞线的实时监测，是桥梁预应力监测逐步走向科学化、信息化、智能化的重要一步。
参考文献
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