基于光纤布拉格光栅的智能缆索弯拉耦合受力监测技术研究

针对梁弦结构中缆索受撑杆作用产生弯拉耦合受力、传统监测技术难以精准测量的难题，本研究提出基于光纤布拉格光栅（FBG）的智能缆索监测技术。通过理论推导、标定试验与有限元仿真，验证了该技术在弯拉耦合工况下应变监测的可靠性（最大偏差5.5%），并实现72–89%的应变监测范围提升。研究成果为复杂受力条件下的结构安全监测提供了创新解决方案。

　　

在大型体育场馆、音乐厅等大跨度建筑中，缆索结构因其轻量化与高承载特性被广泛应用。然而，梁弦结构中的缆索在撑杆作用下会产生复杂的弯拉耦合受力，加之接头摩擦和安装空间限制，传统监测方法如磁通量传感器（精度受励磁定位限制）、振动频率法（短粗缆索适用性差）等难以满足需求。尤其当缆索内部应力分布不均时，间接测量可能导致高达19.47%的偏差，严重威胁结构安全。

为解决这一难题，国内研究人员在《Optical Fiber Technology》发表论文，通过理论建模、FBG智能缆索研制和系统性实验，揭示了弯拉耦合下缆索力学行为与监测规律。研究首先推导了FBG波长-载荷关系方程Δλ/λ_b
=(1-P)ε+(α+ζ)ΔT，并在中心钢丝加工1mm×1mm沟槽嵌入FBG制成智能缆索。标定试验显示其负载灵敏度系数与理论值偏差仅1.61%，非线性误差≤1.13%。通过改变弯折接头高度（h）和水平位置（x₁
/x₂
）的有限元模拟，发现加载端FBG测点应变增长更快，与实验结果一致。最终95%极限破断力测试中，FBG在8300με和8100με断裂，监测范围较传统传感器提升72–89%。

主要技术方法

1. FBG智能缆索制备：中心钢丝开槽嵌入FBG，光纤从锚头引出；
2. 多工况有限元建模：模拟4种弯折高度和6种水平位置；
3. 弯拉耦合试验：采用缆夹模拟撑杆作用，温度恒定26°C；
4. 轴向拉伸测试：力控加载（100MPa/min）至95%破断力。

研究结果

1. 波长-载荷关系：理论方程验证了FBG应变与温度耦合效应，智能缆索灵敏度系数偏差<1.61%；
2. 弯折接头影响：弯折高度增加使FBG测点应变上升，加载端侧增速更快；水平位置靠近固定端时，固定端FBG应变增加而加载端降低；
3. 监测精度：与测力计对比最大偏差5.5%，最小0.2%；
4. 极限性能：FBG断裂应变突破8000με，显著优于传统传感器（6260με）。

结论与意义
该研究首次系统解决了梁弦结构弯拉耦合工况下的缆索力监测难题。FBG智能缆索通过结构创新实现了高精度（非线性误差1.13%）和宽量程（应变监测范围提升89%）的统一，其应变变化规律与仿真结果的高度吻合（偏差<5.5%）为工程应用提供了可靠依据。研究成果不仅填补了复杂受力缆索监测的技术空白，更为大跨度建筑的全寿命周期安全评估建立了新范式。