鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用

吳 瑾,耿 犟,李 俊,高俊啟

(南京航空航天大學(xué)土木工程系,江蘇南京 210016)

由于使用環(huán)境(如海洋環(huán)境)或使用方法(橋面撒除冰鹽)的影響,鋼筋腐蝕已成為威脅碼頭、橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)耐久性和安全性的主要因素之一.目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)參數(shù)主要是力學(xué)和環(huán)境參數(shù),如荷載、加速度、位移、應(yīng)變、風(fēng)速和溫度等,而對(duì)鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)的研究卻很少.鋼筋腐蝕檢測(cè)仍采用到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的傳統(tǒng)檢測(cè)方法(如現(xiàn)場(chǎng)取樣法和半電池電位法),由于傳統(tǒng)檢測(cè)方法是在結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行,檢測(cè)結(jié)果易受環(huán)境影響,現(xiàn)場(chǎng)工作量大,對(duì)于難以到達(dá)的結(jié)構(gòu)部位(如橋梁和碼頭底板、海底隧道外側(cè)等)根本無法檢測(cè),所以傳統(tǒng)檢測(cè)方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足重大工程結(jié)構(gòu)智能化監(jiān)測(cè)的要求.

可永久埋設(shè)的智能傳感器是實(shí)現(xiàn)混凝土中鋼筋腐蝕智能監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ).國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼筋腐蝕傳感器開展了許多研究[1].Raupach等[2]發(fā)明了陽極梯(Anode-ladder)鋼筋腐蝕傳感器,陳卿等[3]發(fā)明了陰陽極距離較小的梯形陽極傳感器,但電化學(xué)傳感器缺點(diǎn)是抗電磁、溫度與濕度干擾能力差,測(cè)量系統(tǒng)易發(fā)生漂移.Youn等[4]研究了聲發(fā)射(acoustic)技術(shù)監(jiān)測(cè)后張法預(yù)應(yīng)力混凝土中鋼絲束的腐蝕,但聲發(fā)射傳感器的困難是如何將其他來源的聲發(fā)射信號(hào)(如交通信號(hào))與鋼絲腐蝕斷裂信號(hào)區(qū)分開來.Liu等[5]研究了時(shí)域反射技術(shù)監(jiān)測(cè)混凝土中預(yù)應(yīng)力鋼筋的腐蝕,但存在信號(hào)易受干擾的問題.吳瑾等[6]基于無線射頻技術(shù)研究了鋼筋腐蝕無線傳感器,同樣不足是信號(hào)易受干擾.江毅等[7]將光纖光柵拉伸后環(huán)繞粘貼在鋼筋表面監(jiān)測(cè)鋼筋的腐蝕程度,但是這種方法監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕的環(huán)境是溶液,而不是混凝土環(huán)境.軒元等[8]應(yīng)用布里淵時(shí)域分析光纖傳感技術(shù),通過測(cè)量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布來監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕,但目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,還未有工程應(yīng)用.本文基于光纖光柵應(yīng)變傳感技術(shù)設(shè)計(jì)了鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器,研究了傳感器的優(yōu)化布置方法,并應(yīng)用于港工混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕智能監(jiān)測(cè).

1 鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)計(jì)

1.1 傳感器原理

反射光的中心波長(zhǎng)λB與光柵的折射率變化周期 Λ和有效折射率neff有關(guān):

式中:α——光纖的熱膨脹系數(shù);ξ——光纖的熱光系數(shù);ΔT——溫度變化;Pe——有效彈光系數(shù);ε——應(yīng)變.

通過對(duì)光柵溫度補(bǔ)償,消除溫度變化對(duì)光柵波長(zhǎng)的影響,式(2)簡(jiǎn)化為

由式(3)可知,光柵波長(zhǎng)變化與應(yīng)變成線性關(guān)系.鋼筋腐蝕傳感器設(shè)計(jì)為:在兩根緊密接觸的短鋼筋圓心處固定光柵的兩端(圖1).當(dāng)兩根短鋼筋腐蝕后,由于體積膨脹兩短鋼筋截面圓心之間產(chǎn)生相對(duì)拉應(yīng)變,致使光纖光柵波長(zhǎng)發(fā)生變化,根據(jù)此波長(zhǎng)變化(即傳感器響應(yīng))來量測(cè)鋼筋的腐蝕率.

1.2 傳感器封裝與試驗(yàn)

為了將傳感器埋入到實(shí)際的工程中,采用與工程用混凝土滲透性相同的砂漿封裝傳感器.為建立鋼筋腐蝕率和光柵波長(zhǎng)變化的關(guān)系,設(shè)計(jì)5組傳感器試驗(yàn).將傳感器埋入保護(hù)層為3cm的C25混凝土試件中,試件尺寸為100mm×50mm×100mm.采用電化學(xué)快速腐蝕法加速鋼筋腐蝕,當(dāng)測(cè)得波長(zhǎng)有較大變化時(shí),將混凝土破開測(cè)量出鋼筋的腐蝕率.試驗(yàn)結(jié)果見圖2,圖中1～5為5組傳感器試驗(yàn)結(jié)果.從圖2可以看出,隨著鋼筋腐蝕率增大,光柵波長(zhǎng)變化增大.

圖1 鋼筋腐蝕光纖光柵傳感器方案Fig.1 Fiber optic sensor for reinforcement corrosion monitoring

圖2 波長(zhǎng)變化與腐蝕率的關(guān)系Fig.2 Relationship between wave length change and corrosion rate

2 鋼筋腐蝕傳感器優(yōu)化布置

由于混凝土性能、環(huán)境條件及其他因素,鋼筋腐蝕具體情況在一個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件中變化較大,通過在混凝土結(jié)構(gòu)中布置許多腐蝕傳感器,這種變化可能被監(jiān)測(cè)到,并得到修正用于可靠度模型.然而,由于經(jīng)濟(jì)和施工上的限制,在結(jié)構(gòu)中能夠布置的傳感器數(shù)量是有限的.有效監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的之一是必須尋求提供合適的系統(tǒng)性能和保持造價(jià)最低兩者之間的平衡點(diǎn).采用多目標(biāo)優(yōu)化方法可以獲得最優(yōu)傳感器系統(tǒng)和最低成本.傳感器系統(tǒng)的總成本和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)作為兩個(gè)要最小化的目標(biāo)函數(shù),設(shè)計(jì)變量是相鄰傳感器的間距和傳感器的單價(jià),得到二者的最優(yōu)組合,使得該傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)達(dá)到造價(jià)與性能的平衡[9].傳感器優(yōu)化布置程序框圖見圖3.

圖3 多目標(biāo)優(yōu)化程序Fig.3 Multi-objective optimization program

3 工程應(yīng)用

江蘇連云港港口股份有限公司焦炭專業(yè)化泊位為10萬t級(jí)泊位,主體采用高樁梁板結(jié)構(gòu),長(zhǎng)540m,寬41m.工程于2007年10月開工,2008年12月竣工.泊位基礎(chǔ)梁由于處于海水干濕交替部位,是鋼筋腐蝕最嚴(yán)重的構(gòu)件.傳感器主要布置在南北方向的基礎(chǔ)梁上.

3.1 傳感器制作

在實(shí)驗(yàn)室中預(yù)留腐蝕傳感器(與工程現(xiàn)場(chǎng)所用的完全相同)作對(duì)比,即在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定腐蝕傳感器中光纖光柵的波長(zhǎng)變化與鋼筋腐蝕率的關(guān)系(鋼筋與現(xiàn)場(chǎng)完全相同).封裝采用二次封裝的方法(先采用10mm厚的摻入適量硅灰的水泥砂漿封裝,達(dá)到一定強(qiáng)度后,埋入混凝土中,使保護(hù)層厚度與現(xiàn)場(chǎng)相同),從而保證實(shí)驗(yàn)室傳感器中鋼筋腐蝕環(huán)境與現(xiàn)場(chǎng)相同.然后在實(shí)驗(yàn)室采用加速腐蝕的方法,測(cè)定實(shí)驗(yàn)室傳感器中鋼筋腐蝕率與中心波長(zhǎng)變化的關(guān)系.最后,通過對(duì)照現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的光柵波長(zhǎng)變化值,獲得現(xiàn)場(chǎng)鋼筋腐蝕率.

3.2 傳感器布置

根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化方法的優(yōu)化結(jié)果,傳感器間距為1000mm左右時(shí),變異系數(shù)較小,且趨于穩(wěn)定,此外傳感器單位成本也較小,即為最優(yōu)的布置方案.在41號(hào)軸線之間南北方向的梁上,共埋置了5組雙鋼筋光纖光柵腐蝕傳感器(每組由1個(gè)鋼筋腐蝕傳感器與1個(gè)不銹鋼腐蝕傳感器組成,鋼筋腐蝕傳感器編號(hào)分別為2,4,6,8,10;不銹鋼腐蝕傳感器作為溫度和荷載補(bǔ)償傳感器,編號(hào)分別為1,3,5,7,9).圖4為傳感器布置情況.

傳感器布置在縱橫鋼筋的交叉位置,并保證傳感器中鋼筋的長(zhǎng)度方向與梁中鋼筋長(zhǎng)度方向一致.傳感器光纖通過光纜引到泊位面板板縫中,再引入辦公室內(nèi),以便于在線監(jiān)測(cè).

圖4 鋼筋腐蝕傳感器布置Fig.4 Layout of sensors for reinforcement corrosion monitoring

3.3 傳感器測(cè)量

傳感器在現(xiàn)場(chǎng)埋入混凝土后進(jìn)行了4次測(cè)量,測(cè)量值見表1.

為了評(píng)價(jià)傳感器測(cè)量結(jié)果,計(jì)算光柵波長(zhǎng)變化均值、均方差、單值控制界限、極差,結(jié)果見表2.從這5組的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果看出,由于第4組不銹鋼傳感器損壞,不能補(bǔ)償溫度效應(yīng),其余4組測(cè)試值比較穩(wěn)定,均在其單值界限內(nèi),說明傳感器是穩(wěn)定的,鋼筋未出現(xiàn)腐蝕.

目前在鋼筋未腐蝕狀態(tài)下,還不能測(cè)出光纖光柵波長(zhǎng)的變化.當(dāng)監(jiān)測(cè)到波長(zhǎng)變化后,按照實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的腐蝕率與波長(zhǎng)變化的關(guān)系,就可以得到鋼筋的腐蝕率.傳感器波長(zhǎng)變化還需要進(jìn)一步量測(cè),以證明其長(zhǎng)期可靠性.

表1 傳感器波長(zhǎng)變化Table 1 Wave length changes of sensors nm

表2 各組傳感器評(píng)價(jià)Table 2 Evaluation of sensors nm

4 結(jié) 論

a.根據(jù)鋼筋腐蝕體積膨脹及光纖光柵測(cè)量拉伸應(yīng)變的原理,設(shè)計(jì)了鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器.通過保證傳感器封裝砂漿與實(shí)際結(jié)構(gòu)混凝土具有同等的抗?jié)B性,使傳感器內(nèi)鋼筋與實(shí)際結(jié)構(gòu)鋼筋周圍環(huán)境一致.通過室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)建立了波長(zhǎng)變化與腐蝕率的關(guān)系.

b.將傳感器總成本和鋼筋腐蝕率標(biāo)準(zhǔn)差最大值作為兩個(gè)目標(biāo)函數(shù),將相鄰傳感器間距和傳感器單價(jià)作為設(shè)計(jì)變量,應(yīng)用多目標(biāo)優(yōu)化方法,進(jìn)行鋼筋腐蝕傳感器的優(yōu)化布置.

c.將該傳感器埋入連云港港口股份有限公司焦炭專業(yè)化泊位混凝土結(jié)構(gòu)中,現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)表明,該傳感器具有較好的穩(wěn)定性和可靠性,可用于港口、橋梁、隧道等重大工程結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕在線監(jiān)測(cè).

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