基于光纖傳感技術(shù)的預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失監(jiān)測(cè)

王天昊，蘭春光

(1． 北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京　100043；2．北京市建筑工程研究院有限責(zé)任公司，北京　100039)

0　引言

加到混凝土構(gòu)件上的初始預(yù)應(yīng)力，由于種種原因(諸如混凝土的彈性壓縮、混凝土的收縮及徐變、錨具變形、預(yù)應(yīng)力筋回縮及滑移和預(yù)應(yīng)力筋的松弛等因素)會(huì)隨著時(shí)間增長(zhǎng)而發(fā)生應(yīng)力損失[1-2]。設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁時(shí)，合理地計(jì)算預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力損失是極其重要的。對(duì)預(yù)應(yīng)力損失估計(jì)過高，可能使梁端混凝土局部破壞或梁體預(yù)拉區(qū)開裂；對(duì)預(yù)應(yīng)力損失估計(jì)不足，則不能有效地提高預(yù)應(yīng)力混凝土梁的抗裂度和剛度?，F(xiàn)階段預(yù)應(yīng)力損失的主要計(jì)算方法為分項(xiàng)計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失，而后匯總各單項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失得總得預(yù)應(yīng)力損失。已有多國(guó)規(guī)范采用這一途徑，例如美國(guó)ACI-ASCE委員會(huì)規(guī)范[3]，英國(guó)CEB-FIP(1990)規(guī)范、我國(guó)公路橋涵規(guī)范(JTGD62-2004)[4]以及混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50010-2002)等。從各國(guó)規(guī)范所采用的計(jì)算方法多樣性可見預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失計(jì)算的復(fù)雜性，難以取得一致的意見。因此，采用實(shí)測(cè)方法獲得準(zhǔn)確的預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失，不但可以進(jìn)行實(shí)際工程安全評(píng)估，同時(shí)可以指導(dǎo)預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失的理論計(jì)算方法。

從預(yù)應(yīng)力損失的測(cè)試方法來(lái)看，目前的手段無(wú)外乎粘貼應(yīng)變片或振弦應(yīng)變計(jì)測(cè)試鋼絞線應(yīng)變；在相應(yīng)預(yù)應(yīng)力混凝土中埋入鋼筋計(jì)或振弦傳感器測(cè)試混凝土應(yīng)變，再反算鋼絞線應(yīng)力；采用壓力環(huán)測(cè)試整體張力；液壓千斤頂通過油表測(cè)試其整體外張力等[5-8]。但是，由于布設(shè)工藝和傳感器自身的缺陷以及測(cè)試方法的不足，針對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用的預(yù)應(yīng)力損失長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)技術(shù)，還處于起步階段。增強(qiáng)纖維光纖布里淵(FRP-BOTDA)傳感筋的出現(xiàn)為解決預(yù)應(yīng)力損失全壽命監(jiān)測(cè)提供了必要手段[9]。增強(qiáng)纖維光纖布里淵傳感筋充分結(jié)合光纖布里淵的全尺度分布式測(cè)試、高精度、采樣頻率高等優(yōu)點(diǎn)[10]，并采用FRP材料對(duì)傳感元件進(jìn)行封裝，使得智能復(fù)合筋兼具受力與傳感特性、集結(jié)構(gòu)材料和功能材料于一體。因此針對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，在增強(qiáng)纖維光纖布里淵智能傳感筋的基礎(chǔ)上研制開發(fā)適合預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測(cè)用傳感器件顯得十分迫切。

文中分析混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失機(jī)理，提出基于光纖傳感技術(shù)的預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變單項(xiàng)損失測(cè)試方法，并研制滿足實(shí)際工程需要的智能鋼絞線；然后通過預(yù)應(yīng)力混凝土梁試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的有效性，并采用智能鋼絞線監(jiān)測(cè)結(jié)果與各國(guó)規(guī)范計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比分析。

1　預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失理論計(jì)算

混凝土的收縮和徐變是混凝土材料本身固有的時(shí)變特性，會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形隨著時(shí)間的變化而變化，對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能及長(zhǎng)期變形影響很大。在預(yù)應(yīng)力各項(xiàng)損失中，由于混凝土的收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失既與時(shí)間有關(guān)，又彼此相關(guān)，因此，在估算預(yù)應(yīng)力損失時(shí)，通常將混凝土的收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失一起考慮。

(1)混凝土收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失

σl5 s=Epεth(t，ts)

(1)

式中：σl5 s為混凝土收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失；Ep為鋼絞線的彈性模量，MPa．

εsh(t，ts)=εsh∞·βs

(2)

式中：εsh(t，ts)為混凝土收縮開始齡期ts(通常可認(rèn)為即養(yǎng)護(hù)結(jié)束時(shí)的混凝土齡期)到t時(shí)刻混凝土發(fā)生的收縮應(yīng)變;εsh∞為混凝土收縮應(yīng)變極限值；βsh(t，t0)為收縮隨時(shí)間變化的函數(shù)。

(2)混凝土徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失：

σl5 c=Epεc(t，t0)=nφ(t，t0)σc(t0)

(3)

式中：σl5 c為混凝土徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失；Ep為鋼絞線的彈性模量；n為鋼絞線的彈性模量與混凝土的彈性模量之比；φ(t，t0) 為徐變系數(shù)，含義為混凝土從t0時(shí)刻加載到t時(shí)刻所發(fā)生的徐變應(yīng)變與t0時(shí)刻發(fā)生的瞬時(shí)彈性應(yīng)變的比值；σc(t0) 為t0時(shí)刻加載的應(yīng)力。

(3)混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失：

σl5=σl5 s+σl5 c

(4)

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了較多的混凝土收縮徐變模型，其中影響較大、應(yīng)用較多的有CEB-FIP系列模型、ACI系列模型，以及我國(guó)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50010-2002)、公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(JTGD62-2004)等。從計(jì)算方法的多樣性亦可見到預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算的復(fù)雜性，難以取得一致的意見。

2　預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失監(jiān)測(cè)方法

2．1光纖Bragg光柵傳感技術(shù)

光纖光柵是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)中最具發(fā)展前途的光纖器件之一，是光纖纖芯內(nèi)介質(zhì)折射率呈周期性變化的無(wú)源器件，其作用相當(dāng)于一個(gè)窄帶的反射鏡，只反射某一波長(zhǎng)附近的光，其它波長(zhǎng)的光波無(wú)損耗地透過。光纖光柵主要有Bragg光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)、長(zhǎng)周期光柵、啁啾光柵等。光纖Bragg光柵(無(wú)特殊說明，文中光纖光柵均指光纖Bragg光柵)是最簡(jiǎn)單、最普遍的一種光纖光柵，其折射率調(diào)制深度和光柵周期都是常數(shù)。圖1是光纖光柵傳感系統(tǒng)的工作原理圖。

圖1　光纖Bragg光柵傳感系統(tǒng)的工作原理圖

圖1中纖芯的明暗變化代表了光纖光柵所在位置。用寬帶光源從光纖布拉格光柵一端入射，由于折射率的周期變化，使纖芯中向前和向后的光波耦合。當(dāng)滿足布拉格條件的波長(zhǎng)的光頻率耦合到向后的傳輸波中，在反射譜中形成峰值，在透射譜中形成凹陷。

2．2智能鋼絞線

根據(jù)預(yù)應(yīng)力筋的監(jiān)測(cè)需要，設(shè)計(jì)制作FRP-FBG智能傳感筋，然后將上述FRP -FBG智能傳感筋替代常規(guī)7絲智能鋼絞線的中絲(如圖2所示)。為保證FRP -FBG智能傳感筋與普通鋼絞線外絲協(xié)同變形，在智能筋表面包裹一層或幾層高延性的金屬薄片(該研究選用0.02 mm的銅箔)，通過增加智能筋直徑的方法增加智能筋與普通鋼絞線外絲的層間摩擦力。借助鋼絞線受力狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和端部的錨固，智能傳感筋會(huì)被自然握裹，達(dá)到協(xié)同變形的效果。

圖2　智能鋼絞線結(jié)構(gòu)示意圖

FRP-FBG智能傳感筋與普通鋼絞線的6根外層鋼絲是協(xié)同變形的，智能筋所測(cè)應(yīng)變即為整根智能鋼絞線的應(yīng)變?？紤]光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器傳感特性，通過傳感器測(cè)試得到的鋼絞線應(yīng)力值為：

(5)

式中：ΔλB為光纖Bragg光柵中心波長(zhǎng)變化值；αε為光柵軸向應(yīng)變與中心波長(zhǎng)變化關(guān)系的靈敏度系數(shù)；EIC為智能鋼絞線的彈性模量。

2．3智能鋼絞線

智能鋼絞線是在普通鋼絞線中，用一根FRP智能傳感筋替換鋼絞線的中芯絲，利用外層鋼絲的握裹力，使外層鋼絲和FRP智能傳感筋協(xié)同工作，從而結(jié)合成為一根新的鋼絞線。預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力損失是通過智能鋼絞線中光纖光柵傳感器測(cè)試得鋼絞線應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)后計(jì)算而得?？紤]后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁的與時(shí)間有關(guān)的預(yù)應(yīng)力損失項(xiàng)主要包括由混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失和由鋼絞線應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失兩項(xiàng)；且預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力松弛概念是預(yù)應(yīng)力筋在定長(zhǎng)的情況下，預(yù)應(yīng)力值隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸減少的現(xiàn)象。預(yù)應(yīng)力筋是定長(zhǎng)情況，也就是預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變是恒定的，因此智能鋼絞線是無(wú)法測(cè)試得到預(yù)應(yīng)力應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失，從而說明智能鋼絞線測(cè)試數(shù)據(jù)就是由于混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失項(xiàng)。

試驗(yàn)梁張拉錨固時(shí)，通過光纖光柵解調(diào)儀采集智能鋼絞線內(nèi)光纖光柵中心波長(zhǎng)值(記為λ0)作為由于混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失的零點(diǎn)；而后隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，在錨固后某一時(shí)間間隔i時(shí)，記錄光纖光柵傳感器的中心波長(zhǎng)值(記為λi)。那么通過智能鋼絞線測(cè)試得到后張拉預(yù)應(yīng)力筋某一時(shí)間間隔i時(shí)，由于混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失為：

(6)

混凝土的收縮徐變要在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)完成，智能鋼絞線所在的溫度場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生較大的變化?？紤]智能鋼絞線的測(cè)試原理，其傳感元件同時(shí)對(duì)溫度和應(yīng)變敏感，因此為了消除溫度場(chǎng)對(duì)測(cè)試影響，應(yīng)該在測(cè)試過程中引入溫度補(bǔ)償傳感器對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正。因此(6)改寫為：

(7)

式中ΔλTi為某間隔時(shí)溫度變化導(dǎo)致的中心波長(zhǎng)漂移。

2．4試驗(yàn)概況

試驗(yàn)梁采用后張預(yù)應(yīng)力混凝土梁，有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)，梁截面尺寸為200 mm×400 mm，跨度為4 m，混凝土標(biāo)號(hào)為C40。預(yù)應(yīng)力筋配置單束5根智能鋼絞線，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 660 MPa，公稱直徑為15.24 mm，預(yù)應(yīng)力混凝土梁的試驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示。非預(yù)應(yīng)力鋼筋采用HRB335級(jí)，在試驗(yàn)梁的受拉區(qū)和受壓區(qū)分別布置3Ф12。張拉端和錨固端預(yù)埋鋼墊板和螺旋筋以承受局部壓力，鋼墊板厚10 mm，螺旋筋直徑6 mm，內(nèi)徑為100 mm，8匝?；炷两?jīng)強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌勻后澆筑至預(yù)制的木模中，并用振搗棒振搗密實(shí)后成型。

圖3　配有智能鋼絞線的預(yù)應(yīng)力混凝土梁試驗(yàn)裝置示意圖

為放大由鋼絞線應(yīng)力松弛產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失的作用，減少由混凝土收縮徐變產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失，特在混凝土梁澆注養(yǎng)護(hù)結(jié)束后2個(gè)月后進(jìn)行張拉。張拉控制應(yīng)力為σcon=0.75fptk，最大張拉荷載為170 kN．

張拉結(jié)束后5 min、10 min、35 min、1 h、2 h、4 h、8 h、12 h、24 h，而后以前密后疏的原則，每天選擇合適時(shí)間點(diǎn)采集智能鋼絞線中光纖光柵傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)，直到約1 000 h時(shí)為止。

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用案例試驗(yàn)梁的幾何、材料、環(huán)境和荷載信息根據(jù)國(guó)際常用規(guī)范(英國(guó)規(guī)范CEB-FIP(1990)、中交04規(guī)范、美國(guó)ACI209規(guī)范)計(jì)算方法計(jì)算得預(yù)應(yīng)力混凝土梁的預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失值，并進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4　各規(guī)范計(jì)算混凝土收縮徐變損失對(duì)比圖

由圖4可知，各規(guī)范預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失計(jì)算結(jié)果具有相同的隨時(shí)間演化規(guī)律，即在預(yù)應(yīng)力損失開始的前期(1～2 d)其預(yù)應(yīng)力損失開展迅速，隨著時(shí)間的延續(xù)，預(yù)應(yīng)力損失的變化率趨于平緩。在試驗(yàn)過程中(約為30 d)3個(gè)規(guī)范的預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失值由大到小的排列順序依次為根據(jù)英國(guó)規(guī)范CEB-FIP(1990)計(jì)算值、根據(jù)中交04規(guī)范計(jì)算值、根據(jù)美國(guó)ACI209規(guī)范計(jì)算值，其最大值分別為59 MPa、41 MPa和35 MPa．

圖5為預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失計(jì)算值較小的美國(guó)ACI209規(guī)范計(jì)算值和監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)值的對(duì)比圖。由5圖可知，實(shí)測(cè)得到的預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失與計(jì)算值具有相同的演化規(guī)律，并且在測(cè)試的前期實(shí)測(cè)值和規(guī)范計(jì)算值吻合度較好，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，規(guī)范計(jì)算值的預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失還有明顯的上漲趨勢(shì)，而實(shí)測(cè)值已經(jīng)趨于平緩，變化率很小。表1為在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)候(時(shí)間歷時(shí)約30 d)，3種規(guī)范計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果最大值的比較。通過比較可知，監(jiān)測(cè)方法實(shí)測(cè)得到的預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失均小于3種規(guī)范的計(jì)算結(jié)果，從而說明3種規(guī)范的計(jì)算方法均偏于安全。以實(shí)測(cè)值為依據(jù)，分別計(jì)算英國(guó)規(guī)范CEB-FIP(1990)、中交04規(guī)范、美國(guó)ACI209規(guī)范的安全度系數(shù)依次為2.1，1.5和1.25。

表1　預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失實(shí)測(cè)和計(jì)算最大值的對(duì)比(時(shí)間：30 d)

圖5　ACI209規(guī)范計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

4　結(jié)束語(yǔ)

文中分析了預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失的特性，提出了基于光纖傳感技術(shù)的預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變單項(xiàng)損失的監(jiān)測(cè)方法，設(shè)計(jì)制作了滿足監(jiān)測(cè)方法需要的光纖光柵智能鋼絞線。并將其應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土梁內(nèi)，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并與各國(guó)規(guī)范規(guī)定方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，基于試驗(yàn)與分析結(jié)果，得到了如下結(jié)論：

(1)此新型智能鋼絞線可以采用傳統(tǒng)鋼絞線的張拉和錨固工具進(jìn)行施工，并未增加施工工藝，方便易行；

(2)提出的預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變損失監(jiān)測(cè)方法理論清楚、直觀，易于實(shí)現(xiàn)；

(3)智能鋼絞線光纖光柵傳感器測(cè)試結(jié)果可以正確反應(yīng)預(yù)應(yīng)力混凝土收縮徐變的長(zhǎng)期演化規(guī)律；

(4)各國(guó)規(guī)范關(guān)于混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失從大到小排列依次為CEB-FIP(1990)、中交04規(guī)范(JTGD62-2004)、ACI209規(guī)范和實(shí)測(cè)值。各國(guó)規(guī)范計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)值具有相同的演化規(guī)律，各種計(jì)算值比實(shí)測(cè)值大，均是偏于安全的。其安全度系數(shù)依次為2.1，1.5和1.25。

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