【摘要】本文以顺德德胜体育中心游泳馆马鞍形空间索网工程为研究对象，系统阐述了光纤布拉格光栅(FBG)传感技术在大型钢结构健康监测中的工程应用。通过将FBG传感器嵌入拉索中心丝的创新设计，实现了索力监测精度±2.5%、灵敏度6.6pm/kN的技术突破，为重大基础设施的全寿命周期健康监测提供了新的技术范式。

一、光纤光栅技术的核心优势

1. 高精度与灵敏度

• 光纤光栅通过反射光波长偏移量（Δλ_B）感知应变，理论灵敏度达6.6pm/kN（张拉索）和2.6pm/kN（稳定索）。
• 对比传统压力传感器（误差约10%），FBG测量值与千斤顶油压差值小于5%，显著提升监测可靠性。

• 将FBG嵌入拉索中心丝凹槽（图1），有效避免运输、安装损伤，解决了外置传感器易受弯曲变形影响的难题（如磁通量法需绕制线圈，干扰后续防火施工）。

• 通过参考光栅温度补偿技术，消除环境温度交叉敏感问题，确保长期监测稳定性。

• 智能拉索可实现每秒千次级数据采集（TV 125解调仪），动态跟踪索网张拉全过程，为施工调整提供即时反馈。

二、德胜体育中心游泳馆的创新应用

1. 工程挑战与解决方案

游泳馆采用单层马鞍形索网+钢结构V撑，投影尺寸达114m×76.5m，索网密布且受力复杂。项目团队创新设计：

• 智能拉索结构：在中心丝刻槽封装FBG，外围缠绕Z型钢丝，制成9根智能拉索（含18个测点），兼顾力学性能与传感功能（如图1）。
• 标定试验：通过分级张拉（至破断力40%）验证线性关系，相关系数K达0.998以上（表1），重复性误差低于1%。

表1  智能拉索相关系数K的计算

2. 施工监测关键成果

• 张拉过程控制：稳定索HS 13张拉时，FBG实测索力与油压值偏差从初始4.9%降至最终2.4%（表2），精准指导张拉力度。

表2  HS 13安装过程索力数据记录

• 被动索力监测：承重索ZS 7在工况8下索力增量169.8kN，与对称位置ZS 9（158.8kN）趋势一致（表3），验证结构对称受力合理性。

表3  工况8安装过程ZS数据记录表

• 理论与实测对比：有限元模拟（ANSYS）与FBG数据偏差**<15%（图2），弯曲应变影响仅0.3%**（表4），证实技术可靠性。

  图2 不同工况下的索力值。（a）（d）测点1；（b）（e）测点2；（c）（f）理论分析   表4  弯曲影响子啊测量值中所占比例

三、行业价值与未来展望

1. 推动智能建造标准

该工程首次实现FBG智能拉索在大跨索网的全程监测，为《建筑结构健康监测技术规范》提供实践案例。

2. 技术延伸潜力

• 多传感器融合：结合分布式光纤（如DAS分布式光纤声学传感系统）实现索网全域应变场重构。
• 数字孪生应用：监测数据接入BIM平台，支持寿命预测与维护决策。

3. 政策与市场趋势

据国家自然科学基金（52068014）支持研究显示，2025年国内FBG结构监测市场规模预计突破20亿元，覆盖桥梁、场馆、风电等多领域。

结语
德胜体育中心游泳馆项目证明，光纤光栅智能拉索技术兼具“感知-分析-预警”一体化能力，是建筑数字化转型的关键工具。未来，随着5G和AI算法的融合，FBG技术将进一步提升重大基础设施的安全运维水平。

内容来源：摘自论文【基于光纤光栅的智能拉索张力监测技术研究】