用于黏結面鋼筋應變測試的表面式密布型光柵

陸 飛 李愛群 程文瀼 羅青兒

(東南大學混凝土與預應力混凝土教育部重點實驗室, 南京 210096)

鋼筋與混凝土的黏結滑移性能是研究鋼筋混凝土受力性能的重要部分,試驗中通常將鋼筋沿縱向居中剖開并開槽處理,在槽內粘貼應變片測試鋼筋的拉應力及其分布[1]．顯然,這種方法工藝復雜,在應變測點較多時測試導線的布置有困難,且對鋼筋受力的整體性有一定影響．20世紀90年代出現(xiàn)的布拉格光纖光柵應變測試技術,在鋼筋混凝土橋梁、復合材料拉索等結構構件的應變測試中得到了廣泛應用[2-7]．然而,普通的Bragg光柵應變傳感器一般都進行一定形式的封裝[3],通過一定長度的導線將多個光柵串聯(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],相對于鋼筋與混凝土的黏結面來說,體積不再微小;且單個串聯(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滑移試驗中鋼筋應變測試時測點密集且對黏結面不影響的要求．本文通過在一個光纖上連續(xù)刻制多個Bragg光柵制成的密布型光柵(柵間距為60mm),滿足了高應變梯度測試中測點密集的需求．直接將裸光柵粘貼在鋼筋縱肋邊,由高強度黏結膠體和縱肋來實現(xiàn)對裸柵的保護,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,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面內測量導線的數(shù)量,降低了裸柵對黏結面性能的影響,對鋼筋混凝土黏結滑移中鋼筋應變的測試非常適用,對于纖維復合材料的表面及層間應變的測試[8]也有很好的參考意義．

1 密布型光柵原理

黏結滑移中鋼筋拉應變測試時,因應變梯度較大而要求測點較為密集,又因不能影響?zhàn)そY面的性能而要求測量導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可進行測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)合理布設后測點更密,且傳導用光纖數(shù)量很少,裸光柵直接與鋼筋粘貼,對黏結面影響也很小,很好地滿足了黏結滑移中鋼筋拉應變的測試需求．

2 密布型光柵的設計

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為纖芯折射率調制周期,即柵距d．通常光纖的有效折射率約為1.46,應變測試用光柵的中心波長在1550nm左右,對應的柵距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,目前所能實現(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,這有利于傳感測試中光柵中心頻率的識別和誤差的控制;但其反射率在柵長較短時較小,柵長大于3mm左右時反射率接近于1[9]．考慮到光柵在應變增大時反射率通常會下降[11](見圖1),柵長實際取值會大于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],其中相位掩模法應用最為普遍,對光柵中心波長的控制也最好．

本文采用常壓載氫的方法對普通通信光纖進行紫外增敏[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

光柵通過對寬帶光源中與中心波長頻率相同部分的光波的反射,實現(xiàn)單個光路中多個不同中心波長光柵的串聯(lián)分布式測量,如圖1所示．測試中由于光源和譜探測儀的帶寬有限,為避免不同光柵在測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留一定的帶寬,因而單個光路中可串聯(lián)的光柵數(shù)量是有限的．為盡可能在單個光路中串入多個光柵,需要對光柵按其初始中心波長和預估的變化趨勢進行排列．

以解調儀帶寬為40nm為例,若每個光柵的波長變化為2nm,相當于應變值變化約2.5×10-3,當各光柵波長的變化方向不同時,相鄰光柵間預留的帶寬至少需4nm,對應一個光路中最多可以串聯(lián)的光柵數(shù)為10個;當各光柵波長的變化方向相同時,則只需預留至少2nm帶寬,對應串聯(lián)的光柵數(shù)為20個．

因此,在光柵布設時應使得光柵的初始中心波長排列順序與光柵測點預估的應變方向相同,即初始中心波長最大的光柵應該布設在預估產(chǎn)生拉應變最大的位置,初始中心波長最小的光柵應該布設在預估產(chǎn)生拉應變最小或壓應變最大的位置,中間部分則依次布設．

2.3 測試方案

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點,可對多根密布型光柵進行相應布設．如圖2所示,將2根柵間距為60mm的密布型光纖光柵交錯30mm平行放置,則沿水平方向光柵測點的間距就減小為30mm．以此類推,將3根間距為60mm的密布型光柵交錯20mm布設,能得到間距20mm分布的光柵陣列．通過這種方式的布置,可以在傳導光纖數(shù)量較少的情況下,實現(xiàn)鋼筋上更小間距測點的布設．

圖2 密布型光柵交錯布置圖(單位：mm)

3 密布型光柵的布設

3.1 應變傳遞

纖芯是光柵傳感的核心部分,其軸向變形會導致柵距的變化，進而使光柵的中心波長發(fā)生改變．光柵通過與鋼筋的協(xié)調變形來實現(xiàn)對鋼筋應變的測試,顯然變形從鋼筋傳遞至光柵纖芯的過程中受到中間黏結層、保護層的影響．中間層越多、越厚，中間層材料的剪切模量越低,則應變的傳遞誤差就越大[13],光纖從內而外分別為纖芯、包層、涂覆層,通常在使用相位掩模法寫入光柵時會將涂覆層去除,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,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,去除了中間層特別是涂覆層(其彈性模量約為600MPa)對應變傳遞的影響,提高了應變測試的精度．同時,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次進行環(huán)氧樹脂的涂設．第1次涂設的環(huán)氧層較薄,如圖3中的第1層黏結層部分,主要起到黏結和固定光柵的作用;第2次涂設的環(huán)氧層較厚,如圖3中的第2層黏結層部分,主要起到保護光柵的作用．這種涂設方法避免了光纖在環(huán)氧樹脂未固化時,因表面張力而浮至樹脂表面,導致光柵與鋼筋之間黏結層過厚的問題．

3.2 光柵的保護

將光柵按圖3所示方式進行黏結后,一方面通過鋼筋自身的剛度和強度對光柵起到了一定的保護作用,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,布設在鋼筋縱肋腳部的凹角內,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層,防止其局部受剪或受沖擊而損壞．經(jīng)保護后的光柵體積仍然很小,如圖4所示,對鋼筋與混凝土之間的黏結影響可以忽略．

圖4 鋼筋表面光柵粘貼實物圖

4 試驗驗證

4.1 試驗準備

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

圖5 鋼筋混凝土黏結滑移試件(單位：mm)

4.2 試驗過程

在MTS液壓伺服試驗機上以5kN為級差逐級加載至125kN后,鋼筋發(fā)生屈服但未從混凝土中拔出．逐級記錄各級荷載下光柵測點F1～F9的中心波長,經(jīng)轉換后得到各測點對應的應變測試值．

為驗證光柵的測試結果,將離混凝土表面7mm的F1測點應變粗略認為是鋼筋不受黏結應力的影響而只受拉力作用產(chǎn)生的應變,并將按鋼筋彈性模量2.0×105N/mm2、截面面積314.2 mm2計算得到的各級荷載下的應變與之進行對比,發(fā)現(xiàn)兩者在100kN之前吻合良好,而在100kN之后實測鋼筋應變非線性明顯加強(見圖6)．100kN荷載時鋼筋應變?yōu)?.659×10-3,經(jīng)換算應力約為340MPa,與鋼筋屈服強度相比十分接近．因此,可認為密布光柵實測應變的結果是可信的．

圖6 端部光柵實測與理論應變對比

4.3 試驗結果分析

圖7為測點F1～F9分別在25,50,80,100,125kN荷載下的應變測試結果．由圖可看出,F9測點的應變在最大荷載125kN即鋼筋屈服后仍然很小,而F8的應變則達到7.74×10-4．因此,可認為該鋼筋的錨固長度小于F9測點處的深度,即249mm．

圖7 各級荷載下光柵測點應變空間分布

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

圖8 各級荷載下不同深度光柵測點應變

由以上試驗結果可看出,密布型光纖光柵在試驗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．所有測點的應變測試結果很好地反映了黏結滑移試驗中鋼筋拉應力的分布．試驗結果驗證了密布型光纖光柵在鋼筋黏結滑移試驗中應用的可行性,也展示了這種測試方法的便捷性和先進性．

5 結論

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

2) 交錯布置多個密布型光柵,能更好地加密光柵的布置,從而能夠滿足高應變梯度測試中測點密集的需求．

3) 將裸光柵直接粘貼在鋼筋縱肋側邊,減小了應變傳遞中間層的影響;通過黏結劑自身的強度及鋼筋實現(xiàn)對光纖的保護．結合光纖光柵的串聯(lián)分布式測量,充分發(fā)揮了光纖體積小、測量導線少的特點,滿足了不破壞黏結面的要求．

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

)

[1]歐陽堅,程文瀼,陳忠范. 植筋粘結錨固性能的動力試驗研究[J]. 工業(yè)建筑, 2010, 40(6): 68-73.

Ouyang Jian, Cheng Wenrang, Chen Zhongfan. Dynamic test of property of chemical adhesive anchorage bar[J].IndustrialConstruction, 2010,40(6):68-73. (in Chinese)

[2]Rao Y J. Recent progress in applications of in-fiber Bragg grating sensors[J].OpticsandLasersinEngineering, 1999,31(4): 297-324.

[3]李愛群, 周廣東. 光纖Bragg光柵傳感器測試技術研究進展與展望(Ⅰ): 應變、溫度測試[J]. 東南大學學報:自然科學版, 2009, 39(6):1298-1306.

Li Aiqun, Zhou Guangdong. Progress and prospect of fiber Bragg grating sensors measurement technology(Ⅰ): strain and temperature measurement[J].JournalofSoutheastUniversity:NaturalScienceEdition, 2009,39(6): 1298-1306. (in Chinese)

[4]徐海偉, 曾捷, 梁大開, 等. 基于光纖傳感網(wǎng)絡的可變體機翼應變場數(shù)值模擬及實驗驗證[J]. 航空學報, 2011, 32(10):1842-1850.

Xu Haiwei, Zeng Jie, Liang Dakai, et al. Numerical simulation and experimental study of strain field for morphing wings based on distributed fiber Bragg grating sensor network[J].ActaAeronauticaetAstronauticaSinica, 2011,32(10): 1842-1850. (in Chinese)

[5]Panopoulou A, Loutas T, Roulias D, et al. Dynamic fiber Bragg gratings based health monitoring system of composite aerospace structures[J].ActaAstronautica, 2011,69(7/8): 445-457.

[6]Yan C, Ferrarisa E, Geernaertb T, et al. Development of flexible pressure sensing polymer foils based on embedded fibre Bragg grating sensors[J].ProcediaEngineering, 2010,5:272-275.

[7]孫麗, 李宏男, 任亮. 光纖光柵傳感器監(jiān)測混凝土固化收縮實驗研究[J]. 建筑材料學報, 2006, 9(2):148-153.

Sun Li, Li Hongnan, Ren Liang. Experiment study on monitor of concrete shrink in the cure period with FBG sensor[J].JournalofBuildingMaterials, 2006,9(2):148-153. (in Chinese)

[8]潘建伍,曹雙寅,何小元,等. 散斑干涉在纖維與混凝土粘結面位移場測量中的應用 [J]. 東南大學學報:自然科學版, 2003, 33(3):347-350.

Pan Jianwu, Cao Shuangyin, He Xiaoyuan, et al. Application of ESPI in displacement measurement of bond area between FRP and concrete[J].JournalofSoutheastUniversity:NaturalScienceEdition, 2003,33(3):347-350. (in Chinese)

[9]Ugale S P, Mishra V. Modeling and characterization of fiber Bragg grating for maximum reflectivity[J].Optik-InternationalJournalforLightandElectronOptics, 2011,122(22): 1990-1993.

[10]李堯, 趙鴻, 朱辰,等. 光纖光柵技術綜述[J]. 激光與紅外, 2006, 36(9): 749-754.

Li Yao, Zhao Hong, Zhu Chen, et al. Study on fiber gratings technology[J].Laser&Infrared, 2006,36(9): 749-754. (in Chinese)

[11]寧提綱, 裴麗, 簡水生. 應變對啁啾光柵特性影響的研究[J]. 中國激光, 2002, A29(11):1011-1014.

Ning Tigang, Pei Li, Jian Shuisheng. Study on strain effect of Chirped FBG characterization[J].ChineseJournalofLasers, 2002,A29(11):1011-1014. (in Chinese)

[12]李劍芝, 姜德生. 載氫與光纖布喇格光柵[J]. 材料研究學報, 2006, 20(5): 518-522.

Li Jianzhi, Jiang Desheng. Hydrogen loading and fiber Bragg grating[J].ChineseJournalofMaterialsResearch, 2006,20(5): 518-522. (in Chinese)

[13]Li Qingbin, Li Guang, Wang Guanglun. Elasto-plastic bond mechanics of embedded fiber optic sensors in concrete under uniaxial tension with strain localization[J].SmartMaterialsandStructures, 2003,12(6): 851-858.

[14]陸飛. 分布式光纖傳感技術在土木工程結構監(jiān)測中的應用研究[D]. 南京:東南大學土木工程學院,2007.