张雯1 肖宗儒2 孙丽3
1.中国能源建设集团辽宁电力勘测设计院有限公司 沈阳 110179;2.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司 沈阳 110179;3. 沈阳建筑大学，土木工程学院 沈阳 110168
摘要：光纤光栅（FBG）传感器具有体积小、抗干扰能力强、耐腐蚀等优点，在结构健康监测领域得到了广泛应用。本文应用光纤光栅传感元件对某风力发电场风力发电机施工与运营期的扩底锚杆基础进行健康监测，利用监测仪器观察其应变的变化情况。通过数据的对比与分析,可以对风力发电机组的安全性进行评价，判断结构是否存在损伤以及损伤发生的具体位置和损伤程度，为结构的安全服役提供可靠的保障，同时也减少了一定的经济损失，为今后的工程监测提供建议与参考。
关键词：光纤光栅传感器；风力发电；健康监测
1 引言
目前我国土木工程事故发生频繁，如房屋骤然倒塌、桥梁的突然坍塌等，造成了极其重大的财产损失和人员伤亡，人们对重大工程的安全性问题越来越关心重视。早在1989年，MendeZ等人[1]首先提出了把光纤光栅传感器应用于混凝土结构的健康监测中。结构健康监测系统可对结构服役状况的相关数据进行实时采集，通过分析所得数据，反应出结构的服役状况并得出结论。
光纤调节仪作为光纤光栅传感器的监测系统具有开发时间短、扩展性强、性能高、以及可实现无缝集成等优势，在结构健康监测系统中应用该调节仪器的技术，能够对结构服役状况的相关数据进行实施采集处理，基于一定的损伤识别算法对损伤的程度与位置进行判断，进而及时有效的评估工程结构的可靠性，最终对结构的性能变化以及突发事件进行预警。
因此，利用此种技术我们可以开发一套监测结构健康的远程系统，通过该监测系统能够实现“数据采集——实时显示——实时分析——数据存储——数据分析——损伤识别——安全评估”等一系列的功能，进而形成一套完整的全天候智能监测系统。
2项目背景
某风力发电场采用的发电机组国电动力UP82/1500风电机组，风机轮毂高度为65米，机组单机容量为1.5MW。风机场址地层在勘测深度内上部主要为第四系植土，持力层为花岗岩。其基础设计属于2级，采用扩底锚杆基础。基础埋深为1.7米，基底直径为9.0米。
该风力发电组体形较大，造价高，一旦破坏将造成较大的经济损失，甚至是人员伤亡。风车基础的安全关系到整个机组正常运行的安全，在该风力发电机基础施工过程中，沈阳建筑大学土木工程学院与设计院合作开发和安装了风力发电机组锚杆基础光纤光栅健康监测系统。
该健康监测系统利用管线光栅传感器进行监测的主要目标有两个：（1）施工过程监测：风力发电基础在上部结构安装过程中，随着荷载的增加，基础的受力变化情况；（2）长期安全性能监测：通过连续实时监测风力发电机组在工作中的基础应力变化过程，掌握结构的安全状况，并在基础出现裂缝和破坏前进行提前预警，提高了风力发电机组的安全度。
3光纤光栅传感器的布设
（1）应变监测技术指标要求
所选择的应变传感器的测量精度、量程应满足本项目构件应力应变幅度的实际要求，且测量精度不低于2με、量程不小于3500με。要求传感器及其监测系统稳定性好、抗干扰强、耐久性好。
（2）测点要求
风力发电机基础的锚杆长度为7m，在距锚杆顶部1.3米和2.5米处分别布设两个光纤光栅应变传感器，在距锚杆底部0.8米处布设一个光纤光栅应变传感器。选择对称的4根锚杆呈十字花形布置，每个锚杆上布设1个光纤光栅温度传感器与3个光纤光栅应变传感器。
（3）传感器的安装
1按照传感器布设方案在锚杆的相应位置用记号笔做标记，然后用磨砂纸在标记处用打磨至光亮。2将光纤光栅接头的跳线通过PVC管内与传感器相连，接头处采用防水胶布加以保护并将铝塑管的两头采用密封胶封住，以防雨水进入而腐蚀光纤光栅跳线。3将所有的光纤接头跳线穿入PVC管并贴着基础底部的钢筋走线，并把所有光纤光栅跳线及预留的接头装入铁箱之中，以便以后对结构进行健康状况的实时监测。最后对所有安装好的光纤光栅传感器进行检测，检测其是否正常工作，是否在施工过程中被破坏。
4光纤光栅传感器对风车的监测
该健康监测系统从2011年安装调试完成后，通过对风力发电机组基础的连续实时监测，得知该结构的安全状况，确保了机组的运行安全，具有巨大的经济效益和社会效益。
2012年5月31号对其传感器进行检测并对锚杆的应变进行健康监测。首先对传感器的情况进行监测复查，发现小部分传感器损坏是因为施工时工人埋入锚杆的时候不注意导致的，但是对我们的监测情况不造成任何影响。我们首先用光纤调解仪器检测光纤光栅传感器是否能正常工作，结果显示大部分传感器都在正常运作，说明在对传感器的保护起到了很好的作用。
当地风力为3～4级时，所布设的光纤光栅应力传感器的波长变化平稳，没有特别巨大的波动，可见风力为3～4级时对锚杆的应变没有影响。我们会持续关注当时的风力情况，做到实时长期的健康监测。
从图可以看出，光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器在风力为3～4级的情况下，传感器的表现均为正常，波长变化平稳，应变变化呈平滑平稳曲线。说明，在此风力作用下，锚杆可以正常工作，没有达到其极限应变。
总结
利用光纤光栅传感器对结构进行监测，通过光纤调节仪器对其的监测得出波长变化，经过分析得出相应的应变变化情况，并与其应变片进行对比分析。对其实际工程的服役期和运营期进行实时在线监测。以上研究内容都取得了较好的效果和收益，表明光纤光栅传感器在结构中的应用值得被广泛关注，并为以后土木工程结构健康监测提供了一些参考。
5参考文献
[1]欧进萍,周智主编.光纤光栅传感器及其在大型结构工程健康监测领域的应用.光纤传感器的发展与产业化国际论坛，2005.
论文作者:张雯1,肖宗儒2,孙丽3
论文发表刊物:《防护工程》2018年第14期
论文发表时间:2018/10/17
标签：光栅论文; 光纤论文; 传感器论文; 应变论文; 结构论文; 基础论文; 锚杆论文; 《防护工程》2018年第14期论文;