0 引　言

重要工程结构的老化伴随着结构智能化的发展趋势，令结构健康监测得到越来越多的重视及发展^[1]。光纤布拉格光栅（FBG）传感器以其体积小、质量轻、灵敏度高、抗电磁干扰、耐酸碱腐蚀能力强、易于组成准分布式传感器网络等优异特性，成为现阶段土木工程结构健康监测的主要方式之一，被广泛应用于混凝土结构监测、桥梁隧道监测、石油管道泄漏、地下管道腐蚀监测等诸多方面，实时监测结构内部应变、应力、裂纹等参数评估结构损伤程度和服役状态^[2-3]。

光纤布拉格光栅传感器的服役时间以及长期疲劳可靠性逐渐引起研究者关注。土木工程结构造价昂贵，设计使用寿命长，FBG传感器受到长期交变荷载作用，各部位都有可能产生疲劳损伤，导致传感器灵敏度下降、应变传递损失，甚至失效；因此，传感器疲劳可靠性在结构安全监测领域的研究至关重要。目前，已有学者对埋入复合材料的FBG应变传感器^[4]、嵌入单向复合材料封装光纤光栅传感器^[5]进行了疲劳性能的研究，舒岳阶^[6]提出了基于等强度梁的光纤光栅传感器应力疲劳极限传感寿命评估方法。但目前关于FBG传感器的抗疲劳性能分析多集中于低应变状态，对于高疲劳光纤光栅传感器的研究文献报道较少。

FBG应变传感器的核心构件是一段刻有光栅的纤芯，纤芯质地非常脆，易发生折断，需采用保护层包裹住纤芯^[7]。常用的封装材料主要包括金属材料如铝合金，和非金属材料如橡胶、纤维增强树脂（FRP）等^[8-10]。相对于其他封装材料，FRP是一种典型的线弹性材料，具有强抗腐蚀性、高疲劳限值，且其线膨胀系数与混凝土、钢材接近，有利于与被测基体间的变形协调^[11]。已有研究开发出片式FRP封装光纤光栅传感器、埋入式FRP封装光纤光栅传感器和FRP智能筋等一系列适用于土木工程结构长期监测的智能部品^[12-14]，为使传感器与被测基体能很好的协同变形，需在封装后的FRP中心件两端设置锚头，起到限位作用。

本文提出了一种GFRP封装的光纤光栅应变传感器，采用夹片式锚具对GFRP中心件进行锚固，避免锚头内部因胶黏剂作用发生疲劳、蠕变等问题，具有较高的抗疲劳性能。通过静态标定实验验证传感器的锚固稳定性并进行性能测试。同时，通过疲劳实验研究传感器在长期荷载作用下的疲劳性能，为传感器剩余寿命预报及传感器的更换提供参考。

1 FRP封装光纤光栅传感器 1.1 传感器结构型式

本文使用的传感器由GFRP中心件和锚固端两部分组成，如图1所示。

采用GFRP封装后的光纤光栅作为传感中心件既可提高光纤光栅的测量范围又可增强其耐疲劳性能。为方便实际应用，需在GFRP中心件两端设计合适的夹持方式，常用的锚固方式如灌胶式、正压式易造成GFRP筋体损坏、大张拉应变下松弛蠕变等问题，导致传感器很难实现结构全寿命监测。为使传感器结构具有更高的使用寿命，采用夹片式锚固方法锚固传感中心件。锚具由锚杯和夹持件组成，顶推时先将夹持件抱住GFRP中心件，套入锚杯，在端部施力，使其产生一定的挤压位移，将内部结构顶推至锚杯中。夹持件采用软金属层，在顶推过程中受环向挤压力作用变形，与GFRP中心件紧密贴合，使环向压力趋于均匀，避免夹伤中心件。利用锚具与筋体表面产生的摩擦力和机械咬合力进行锚固。端部锚具锚固效果良好，未发生GFRP中心件夹断破坏。此种传感器结构形式简单，长期交变荷载对其造成的疲劳损伤较小，能够更好地对结构进行长期监测。

1.2 传感器静态特性

为探究封装后传感器的静态性能指标，对其进行拉伸性能测试。实验均在静态拉伸装置上进行，传感器测试方法参考行业标准JG/T 421-2013《土木工程用光纤光栅温度传感器》^[15]，图2为静态拉伸装置实物。

1）量程实验

对3根传感器进行量程实验。初始阶段每级拉伸步长设为500 με，达到10 000 με后设定步长为100 με，直至拉伸破坏，此时的应变值即为传感器的量程。测得的3根传感器的量程分别为12 600 με、13 300 με、12 200 με，由此可得，该传感器的量程约为12 000~13 000 με。其中传感器破坏形式为GFRP中心件撕裂，光纤光栅波长示数消失，锚固端与GFRP中心件未发生滑移破坏，说明该传感器采用的夹片式锚固方法是一种有效的夹持方式。

2）静态性能标定

实验前，先对传感器进行3个循环的预加载，待波长示数稳定后记录初始波长值，设定每级步长为500 με，在每个载荷点约停留5 s后记录光栅的中心波长，拉伸至3 000 με后完全卸载，重复实验3次，求取传感器的应变灵敏度、线性相关系数。传感器初始状态感知特性如图3所示，可以看出传感器的线性拟合系数可达到0.999，灵敏度系数为1.003 pm/με。

2 光纤光栅应变传感器疲劳性能分析 2.1 疲劳实验

将传感器通过专用支座夹持在100 kN电液伺服动态疲劳试验机上，确保试样中心线与上下夹具中心线保持一致。在正式测试前，预拉伸传感器以消除残余内应力对实验结果的影响。试验采用控制应变的加载方式对试件进行循环加载，设置应变为10 000，8 000，7 000，6 000，2000 με，每种工况进行3组测试。整个实验过程均采用等幅正弦波加载方式，加载频率为10 Hz。传感器的反射光信号由光纤光栅解调仪采集。实验过程中为除去环境温度因素对应变测量结果的影响，设置参考FBG进行温度补偿。在每组实验开始前，先对传感器进行拉伸实验，测定传感器初始性能参数。实验开始后，每隔特定次数（10万次和50万次）停机，再次测定性能参数。当传感器波长发生明显异常漂移、传感器夹持部位失效或GFRP杆撕裂等情况，终止实验，并记录此时循环次数为传感器的疲劳寿命。

2.2 实验结果与数据分析

图4为传感器时程曲线，在未失效破坏前，传感器的振幅均未发生太大变化，波长值无明显漂移，具有良好的工作稳定性。实验中，随着疲劳次数的增加，GFRP杆颜色逐渐加深，传感器破坏时伴有清脆响声，中心波长发生突变。大部分传感器的破坏形式为GFRP中心件撕裂，如图5所示。而在10 000 με的振幅条件下，少数传感器因锚固端根部发生剪切破坏而失效，该现象是由于在锚固端制作时挤压力施加不均匀造成应力集中，在反复加载作用下，损伤累积，最终导致非正常破坏。下文均选择GFRP中心件撕裂的数据进行分析。

为衡量传感器在疲劳试验过程中的感知特性，每隔特定次数对传感器进行拉伸实验，测试传感器的线性度、重复性和灵敏度等参数作为考察传感器性能的重要指标。

1)线性度随循环次数变化。线性度用非线性误差表示，在不同振幅条件下传感器的感知特性变化规律基本一致，限于篇幅，仅将6 000 με振幅条件下的非线性误差列于表1中。结果表明，传感器的非线性误差均小于2%，随着振动次数的增加非线性误差仅有轻微波动，满足传感性能要求。

2)重复性随循环次数变化。在不同应变幅值条件下，传感器重复性误差随振动次数的变化曲线如图6所示。在实验初始阶段随着振动次数的增加传感器的重复性误差波动比较明显，小幅上升后随着内部结构在荷载作用下相互协调而有所回落，但由于持续的疲劳作用对传感器的影响，传感器的重复性误差会略有增大，但整体上其值小于0.5%，满足传感性能需求。

3)灵敏度随循环次数变化。在不同应变条件下，随着振动次数的增加传感器的灵敏度系数变化情况如表2所示。灵敏度系数在循环初期明显上涨后略有下降，而后缓慢上升，在约达到疲劳寿命一半次数时达到最高点，之后又逐渐下降。灵敏度系数上升的可能原因是随着振动次数的增加，光纤光栅自身产生一定的松弛导致在同等应变条件下产生更大的输出量，在传感器失效前灵敏度误差均小于2%，整体上传感性能满足要求。

为预测给定条件下传感器的疲劳寿命，本文采用经典的幂指数循环规律来刻画传感器的应变-疲劳寿命曲线（ $\varepsilon $ -N曲线），根据实验所得数据，拟合出 $\varepsilon $ -N曲线。如图7所示，图中的散点为实测数据，实线为数据的拟合曲线。由此，可根据疲劳寿命曲线预测在不同工况下传感器的失效时间并在传感器失效前及时更换。其中，在实验6 000 με条件下疲劳寿命可达200万次以上，而正常情况下结构的应变只有几千微应变，可认为该传感器满足钢结构、混凝土结构长期监测需求，有着较高的抗疲劳性能。

3 结束语

本文介绍了一种GFRP封装的光纤光栅应变传感器，以夹片式锚头对GFRP中心件进行锚固，避免了胶黏剂的使用，提高了传感器的测量范围和抗疲劳性能。静态标定试验给出传感器的灵敏度为1.003 pm/με，线性拟合系数为0.999。通过疲劳试验，验证在不同应变幅值下，GFRP封装光纤光栅应变传感器均能够实时、稳定地监测构件。传感器失效前非线性误差均小于2%，一直保持着良好的线性度；重复性误差、灵敏度系数在试验过程中有小幅波动，但整体上传感性能满足要求。在6 000 με条件下传感器疲劳寿命可达200万次以上，可认为满足结构长期监测需求。实验给出传感器疲劳寿命曲线，为传感器的剩余寿命预报及更换提供参考。GFRP封装光纤光栅应变传感器结构简单，测量应变范围大、抗疲劳性能好、测量精度高，适用于土木工程恶劣环境长期在线损伤监测，具有良好的工程应用前景。