用于黏結(jié)面鋼筋應(yīng)變測(cè)試的表面式密布型光柵

陸 飛 李愛群 程文瀼 羅青兒

(東南大學(xué)混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

鋼筋與混凝土的黏結(jié)滑移性能是研究鋼筋混凝土受力性能的重要部分,試驗(yàn)中通常將鋼筋沿縱向居中剖開并開槽處理,在槽內(nèi)粘貼應(yīng)變片測(cè)試鋼筋的拉應(yīng)力及其分布[1]．顯然,這種方法工藝復(fù)雜,在應(yīng)變測(cè)點(diǎn)較多時(shí)測(cè)試導(dǎo)線的布置有困難,且對(duì)鋼筋受力的整體性有一定影響．20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的布拉格光纖光柵應(yīng)變測(cè)試技術(shù),在鋼筋混凝土橋梁、復(fù)合材料拉索等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)變測(cè)試中得到了廣泛應(yīng)用[2-7]．然而,普通的Bragg光柵應(yīng)變傳感器一般都進(jìn)行一定形式的封裝[3],通過一定長度的導(dǎo)線將多個(gè)光柵串聯(lián)起來[4]．這種經(jīng)封裝后的光纖光柵傳感器直徑最小也在3mm以上[2,7],相對(duì)于鋼筋與混凝土的黏結(jié)面來說,體積不再微小;且單個(gè)串聯(lián)回路中Bragg光柵的間距至少在250mm以上[5-6]．顯然,普通Bragg光柵傳感器不能滿足黏結(jié)滑移試驗(yàn)中鋼筋應(yīng)變測(cè)試時(shí)測(cè)點(diǎn)密集且對(duì)黏結(jié)面不影響的要求．本文通過在一個(gè)光纖上連續(xù)刻制多個(gè)Bragg光柵制成的密布型光柵(柵間距為60mm),滿足了高應(yīng)變梯度測(cè)試中測(cè)點(diǎn)密集的需求．直接將裸光柵粘貼在鋼筋縱肋邊,由高強(qiáng)度黏結(jié)膠體和縱肋來實(shí)現(xiàn)對(duì)裸柵的保護(hù),去除了常規(guī)方法中的封裝層,發(fā)揮了光纖體積小的優(yōu)勢(shì),且避免了鋼筋剖開、開槽等處理工藝．密布的光柵減少了黏結(jié)面內(nèi)測(cè)量導(dǎo)線的數(shù)量,降低了裸柵對(duì)黏結(jié)面性能的影響,對(duì)鋼筋混凝土黏結(jié)滑移中鋼筋應(yīng)變的測(cè)試非常適用,對(duì)于纖維復(fù)合材料的表面及層間應(yīng)變的測(cè)試[8]也有很好的參考意義．

1 密布型光柵原理

黏結(jié)滑移中鋼筋拉應(yīng)變測(cè)試時(shí),因應(yīng)變梯度較大而要求測(cè)點(diǎn)較為密集,又因不能影響?zhàn)そY(jié)面的性能而要求測(cè)量導(dǎo)線盡可能少且體積小．

密布型光纖光柵就是根據(jù)這一需求,在一根光纖上連續(xù)刻制多個(gè)不同中心波長的Bragg光柵,且光柵之間的空間間距盡可能小，中心波長盡可能合理分布,使得單根光纖上單位長度范圍內(nèi)可進(jìn)行測(cè)試用的光柵盡可能多．與普通布拉格光柵相比,密布型光柵的間距大為減小,經(jīng)合理布設(shè)后測(cè)點(diǎn)更密,且傳導(dǎo)用光纖數(shù)量很少,裸光柵直接與鋼筋粘貼,對(duì)黏結(jié)面影響也很小,很好地滿足了黏結(jié)滑移中鋼筋拉應(yīng)變的測(cè)試需求．

2 密布型光柵的設(shè)計(jì)

2.1 空間間距

連續(xù)型光柵的空間間距包括柵距、柵長和柵間距離．其中柵距主要由光柵的中心波長決定,兩者有如下關(guān)系:

λ=2nΛ=2nd

式中,λ為光柵中心波長;n為纖芯有效折射率;Λ為纖芯折射率調(diào)制周期,即柵距d．通常光纖的有效折射率約為1.46,應(yīng)變測(cè)試用光柵的中心波長在1550nm左右,對(duì)應(yīng)的柵距d約為0.5μm．

柵長是指光柵變折射率區(qū)間的長度,通常根據(jù)光柵的反射率決定．而光柵的反射率受折射率的變化幅度、折射率分布形式、光柵長度以及光柵應(yīng)變影響[9]．折射率變化幅度越大則光柵的反射率越高,折射率的變化幅度與光纖的光敏特性和成柵工藝有關(guān),目前所能實(shí)現(xiàn)的折射率的變化幅度為10-5～10-3[10]．光柵折射率分布形式是指纖芯變折射率區(qū)間沿光纖軸線方向上的變化形式,通常有均勻分布和非均勻高斯分布2種．與均勻分布相比,非均勻高斯分布光柵的反射光譜帶寬較小,這有利于傳感測(cè)試中光柵中心頻率的識(shí)別和誤差的控制;但其反射率在柵長較短時(shí)較小,柵長大于3mm左右時(shí)反射率接近于1[9]．考慮到光柵在應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)反射率通常會(huì)下降[11](見圖1),柵長實(shí)際取值會(huì)大于3mm．

圖1 分布式光纖光柵頻譜

柵間距離主要由光柵寫入工藝決定,目前Bragg光柵的寫入工藝主要有全息相干法、相位掩模法和在線寫入法等[10],其中相位掩模法應(yīng)用最為普遍,對(duì)光柵中心波長的控制也最好．

本文采用常壓載氫的方法對(duì)普通通信光纖進(jìn)行紫外增敏[12],并采用相位掩模法寫入折射率呈非均勻高斯分布的Bragg光柵,在單根光纖上制作成光柵間距為60mm、柵長為8mm、由6個(gè)波長依次分布的Bragg光柵組成的密布型光柵．

2.2 波長排列

光柵通過對(duì)寬帶光源中與中心波長頻率相同部分的光波的反射,實(shí)現(xiàn)單個(gè)光路中多個(gè)不同中心波長光柵的串聯(lián)分布式測(cè)量,如圖1所示．測(cè)試中由于光源和譜探測(cè)儀的帶寬有限,為避免不同光柵在測(cè)試中因波長變化后相互接近而造成的影響,相鄰波長的光柵之間需預(yù)留一定的帶寬,因而單個(gè)光路中可串聯(lián)的光柵數(shù)量是有限的．為盡可能在單個(gè)光路中串入多個(gè)光柵,需要對(duì)光柵按其初始中心波長和預(yù)估的變化趨勢(shì)進(jìn)行排列．

以解調(diào)儀帶寬為40nm為例,若每個(gè)光柵的波長變化為2nm,相當(dāng)于應(yīng)變值變化約2.5×10-3,當(dāng)各光柵波長的變化方向不同時(shí),相鄰光柵間預(yù)留的帶寬至少需4nm,對(duì)應(yīng)一個(gè)光路中最多可以串聯(lián)的光柵數(shù)為10個(gè);當(dāng)各光柵波長的變化方向相同時(shí),則只需預(yù)留至少2nm帶寬,對(duì)應(yīng)串聯(lián)的光柵數(shù)為20個(gè)．

因此,在光柵布設(shè)時(shí)應(yīng)使得光柵的初始中心波長排列順序與光柵測(cè)點(diǎn)預(yù)估的應(yīng)變方向相同,即初始中心波長最大的光柵應(yīng)該布設(shè)在預(yù)估產(chǎn)生拉應(yīng)變最大的位置,初始中心波長最小的光柵應(yīng)該布設(shè)在預(yù)估產(chǎn)生拉應(yīng)變最小或壓應(yīng)變最大的位置,中間部分則依次布設(shè)．

2.3 測(cè)試方案

由于光柵寫入工藝的限制,單根密布型光柵的最小間距為60mm,為盡可能加密鋼筋上的測(cè)點(diǎn),可對(duì)多根密布型光柵進(jìn)行相應(yīng)布設(shè)．如圖2所示,將2根柵間距為60mm的密布型光纖光柵交錯(cuò)30mm平行放置,則沿水平方向光柵測(cè)點(diǎn)的間距就減小為30mm．以此類推,將3根間距為60mm的密布型光柵交錯(cuò)20mm布設(shè),能得到間距20mm分布的光柵陣列．通過這種方式的布置,可以在傳導(dǎo)光纖數(shù)量較少的情況下,實(shí)現(xiàn)鋼筋上更小間距測(cè)點(diǎn)的布設(shè)．

圖2 密布型光柵交錯(cuò)布置圖(單位：mm)

3 密布型光柵的布設(shè)

3.1 應(yīng)變傳遞

纖芯是光柵傳感的核心部分,其軸向變形會(huì)導(dǎo)致柵距的變化，進(jìn)而使光柵的中心波長發(fā)生改變．光柵通過與鋼筋的協(xié)調(diào)變形來實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋應(yīng)變的測(cè)試,顯然變形從鋼筋傳遞至光柵纖芯的過程中受到中間黏結(jié)層、保護(hù)層的影響．中間層越多、越厚，中間層材料的剪切模量越低,則應(yīng)變的傳遞誤差就越大[13],光纖從內(nèi)而外分別為纖芯、包層、涂覆層,通常在使用相位掩模法寫入光柵時(shí)會(huì)將涂覆層去除,只剩下包層和纖芯部分．包層和纖芯部分主要材料為石英,彈性模量為81GPa[14],截面直徑為0.125mm．本文采用環(huán)氧樹脂將裸光柵直接與鋼筋黏結(jié),環(huán)氧樹脂彈性模量為3GPa,其截面如圖3所示．

圖3 光柵在鋼筋表面的粘貼

將裸光柵的石英層直接通過環(huán)氧樹脂與鋼筋黏結(jié),去除了中間層特別是涂覆層(其彈性模量約為600MPa)對(duì)應(yīng)變傳遞的影響,提高了應(yīng)變測(cè)試的精度．同時(shí),為盡可能減小石英層與鋼筋之間的距離,在粘貼過程中分2次進(jìn)行環(huán)氧樹脂的涂設(shè)．第1次涂設(shè)的環(huán)氧層較薄,如圖3中的第1層黏結(jié)層部分,主要起到黏結(jié)和固定光柵的作用;第2次涂設(shè)的環(huán)氧層較厚,如圖3中的第2層黏結(jié)層部分,主要起到保護(hù)光柵的作用．這種涂設(shè)方法避免了光纖在環(huán)氧樹脂未固化時(shí),因表面張力而浮至樹脂表面,導(dǎo)致光柵與鋼筋之間黏結(jié)層過厚的問題．

3.2 光柵的保護(hù)

將光柵按圖3所示方式進(jìn)行黏結(jié)后,一方面通過鋼筋自身的剛度和強(qiáng)度對(duì)光柵起到了一定的保護(hù)作用,避免了混凝土澆筑和振搗過程中因整體變形而產(chǎn)生的損壞;另一方面,由于光纖光柵本身直徑很小,布設(shè)在鋼筋縱肋腳部的凹角內(nèi),其外部的固化后環(huán)氧樹脂、鋼筋縱肋以及鋼筋本身都能作為保護(hù)層,防止其局部受剪或受沖擊而損壞．經(jīng)保護(hù)后的光柵體積仍然很小,如圖4所示,對(duì)鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)影響可以忽略．

圖4 鋼筋表面光柵粘貼實(shí)物圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

黏結(jié)滑移試件中混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C30,尺寸為150mm×150mm×350mm．鋼筋直徑為20mm,強(qiáng)度等級(jí)為HPB335,錨固長度為283mm．錨固段鋼筋上按間距30mm共分布了9個(gè)光柵,這9個(gè)光柵分別由2根間距為60mm的密布型光柵沿鋼筋長度方向交錯(cuò)30mm平行布置而成．1根密布型光柵上布設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn),另一根布設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn),沿橫向分別布置在鋼筋縱肋兩側(cè),如圖5所示．

圖5 鋼筋混凝土黏結(jié)滑移試件(單位：mm)

4.2 試驗(yàn)過程

在MTS液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上以5kN為級(jí)差逐級(jí)加載至125kN后,鋼筋發(fā)生屈服但未從混凝土中拔出．逐級(jí)記錄各級(jí)荷載下光柵測(cè)點(diǎn)F1～F9的中心波長,經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變測(cè)試值．

為驗(yàn)證光柵的測(cè)試結(jié)果,將離混凝土表面7mm的F1測(cè)點(diǎn)應(yīng)變粗略認(rèn)為是鋼筋不受黏結(jié)應(yīng)力的影響而只受拉力作用產(chǎn)生的應(yīng)變,并將按鋼筋彈性模量2.0×105N/mm2、截面面積314.2 mm2計(jì)算得到的各級(jí)荷載下的應(yīng)變與之進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩者在100kN之前吻合良好,而在100kN之后實(shí)測(cè)鋼筋應(yīng)變非線性明顯加強(qiáng)(見圖6)．100kN荷載時(shí)鋼筋應(yīng)變?yōu)?.659×10-3,經(jīng)換算應(yīng)力約為340MPa,與鋼筋屈服強(qiáng)度相比十分接近．因此,可認(rèn)為密布光柵實(shí)測(cè)應(yīng)變的結(jié)果是可信的．

圖6 端部光柵實(shí)測(cè)與理論應(yīng)變對(duì)比

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖7為測(cè)點(diǎn)F1～F9分別在25,50,80,100,125kN荷載下的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果．由圖可看出,F9測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?cè)谧畲蠛奢d125kN即鋼筋屈服后仍然很小,而F8的應(yīng)變則達(dá)到7.74×10-4．因此,可認(rèn)為該鋼筋的錨固長度小于F9測(cè)點(diǎn)處的深度,即249mm．

圖7 各級(jí)荷載下光柵測(cè)點(diǎn)應(yīng)變空間分布

圖8為加載過程中測(cè)點(diǎn)F1,F2,F5,F7,F8,F9的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果．由圖可看出,隨著鋼筋端拉力的增大,錨固區(qū)域內(nèi)鋼筋的應(yīng)變由淺至深依次增大,直至外部鋼筋屈服．其中F1,F2,F5測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變均大于屈服應(yīng)變,而F9測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變則增大不明顯．

圖8 各級(jí)荷載下不同深度光柵測(cè)點(diǎn)應(yīng)變

由以上試驗(yàn)結(jié)果可看出,密布型光纖光柵在試驗(yàn)全過程直至外部鋼筋發(fā)生屈服后,均未發(fā)生損壞,且能很好地工作．所有測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果很好地反映了黏結(jié)滑移試驗(yàn)中鋼筋拉應(yīng)力的分布．試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了密布型光纖光柵在鋼筋黏結(jié)滑移試驗(yàn)中應(yīng)用的可行性,也展示了這種測(cè)試方法的便捷性和先進(jìn)性．

5 結(jié)論

1) 密布型光纖光柵能夠?qū)崿F(xiàn)單根光纖上最小間距60mm的多個(gè)光柵按中心波長依次分布．

2) 交錯(cuò)布置多個(gè)密布型光柵,能更好地加密光柵的布置,從而能夠滿足高應(yīng)變梯度測(cè)試中測(cè)點(diǎn)密集的需求．

3) 將裸光柵直接粘貼在鋼筋縱肋側(cè)邊,減小了應(yīng)變傳遞中間層的影響;通過黏結(jié)劑自身的強(qiáng)度及鋼筋實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖的保護(hù)．結(jié)合光纖光柵的串聯(lián)分布式測(cè)量,充分發(fā)揮了光纖體積小、測(cè)量導(dǎo)線少的特點(diǎn),滿足了不破壞黏結(jié)面的要求．

4) 經(jīng)鋼筋混凝土黏結(jié)滑移試驗(yàn)驗(yàn)證,密布型光纖光柵能很好地完成黏結(jié)滑移試驗(yàn)中鋼筋屈服前后的應(yīng)變測(cè)試,且測(cè)得了錨固段鋼筋的應(yīng)變分布,說明這種方法是可行的．該方法對(duì)纖維復(fù)合材料等的黏結(jié)滑移試驗(yàn)中的應(yīng)變測(cè)試也同樣具有參考意義．

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