基于長標(biāo)距FBG傳感器的混凝土梁監(jiān)測技術(shù)研究

王淬礪

(福州市公路局長樂分局，福建福州350200)

結(jié)構(gòu)變形是反映橋梁結(jié)構(gòu)整體性能的宏觀指標(biāo)，是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要內(nèi)容。目前，絕大多數(shù)的監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效的監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)在溫度變化、基礎(chǔ)沉降、混凝土收縮徐變和運營車輛荷載作用下的變形和損傷[1,2]。然而在地震發(fā)生期間，因地面的強烈震動導(dǎo)致傳統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)備(GPS技術(shù)、加速度傳感器)缺少穩(wěn)定的參考點而失效；應(yīng)變片傳感器由于耐久性能較差、易受外界電磁干擾和長期不可靠性，使其不適用于結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測。光纖布拉格光柵(FBG)傳感器抗電磁干擾能力強、電絕緣性能好、耐腐蝕、體積小、重量輕、傳輸容量大等優(yōu)點，且同時具備靜態(tài)和動態(tài)測試的能力，在橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景[3,4]。本文以一簡支混凝土梁為試驗研究對象，采用長標(biāo)距FBG傳感技術(shù)進行結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測研究。

1 基于分布式長標(biāo)距FBG傳感器的監(jiān)測原理

1.1 長標(biāo)距FBG傳感器

單個長標(biāo)距FBG傳感器構(gòu)造如圖1所示，封裝材料采用抗腐材料玄武巖纖維材料(BFRP)，通過FBG傳感器測得的是標(biāo)距范圍內(nèi)的平均應(yīng)變。采用玄武巖纖維材料進行封裝的FBG傳感器，其耐久性和穩(wěn)定性更加優(yōu)異，適合在惡劣的野外環(huán)境下使用。此外，長標(biāo)距FBG傳感器可進行串聯(lián)，單根光纖便可以實現(xiàn)多個長標(biāo)距FBG傳感器的數(shù)據(jù)采集和傳輸工作，便于進行分布式布設(shè)。

1.2 應(yīng)變監(jiān)測

FBG全稱Fiber Bragg Grating，即光纖光柵，在普通光纖內(nèi)形成的空間相位周期性分布的光柵。當(dāng)一束寬帶光源經(jīng)過FBG時，滿足Bragg條件的波長將產(chǎn)生反射，其余波長透過FBG將繼續(xù)傳輸。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時，在外力的作用下，機械伸長會使光柵柵格發(fā)生變化，同時彈光效應(yīng)還使得光纖材料的折射率發(fā)生變化，F(xiàn)BG中心波長為1 300 nm，每個με將導(dǎo)致1.01 pm的波長改變量；當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)周圍的溫度發(fā)生變化時，由于光纖材料的熱漲和熱光效應(yīng)，會使得其折射率發(fā)生變化，溫度每變化1 ℃，F(xiàn)BG中心波長改變量為9.1 pm。因此，通過監(jiān)測每段FBG反射光波長的變化量，可實現(xiàn)對應(yīng)變和溫度擾動的監(jiān)測。

1.3 位移監(jiān)測

1860年，奧托·莫爾首先提出了一種共軛梁法，該方法假設(shè)一與實際梁等長的虛梁(共軛梁)，并將實際梁的曲率分布等效成等值的虛荷載施加到共軛梁上，則共軛梁上任一點處的彎矩值與實際梁相應(yīng)位置的擾度值是相等的，即可用測得的應(yīng)變分布和實際中和軸高度計算出梁的撓度分布。本文僅考慮簡支梁的位移監(jiān)測，簡支梁的共軛梁即為其本身，計算模型如圖2所示。由共軛梁法的定義可知：

(1)

其中，K(x)為實際梁曲率分布；M(x)為實際梁彎矩分布；ε(x)為實際梁應(yīng)變分布；EI為梁截面抗彎剛度；z為實際梁上傳感器的位置到截面中和軸的距離；q′(x)為共軛梁等效荷載分布。

則梁上第i單元的曲率為：

(2)

(3)

將l=L/n代入公式可以得到實際梁對應(yīng)點變形vj：

(4)

(5)

2 基于長標(biāo)距FBG傳感技術(shù)的混凝土梁變形識別

2.1 試驗概況

試驗?zāi)Ｐ腿鐖D3所示，模型混凝土強度為C30，配筋采用HRB335熱軋鋼筋。采用四點彎曲加載的方式，加載點位于兩端支座間的三分點處，采用逐級加載的模式，每級荷載為10 kN。沿著梁縱向以支座處和加載點為分界將其劃分為3個長度單元，分別為單元1～單元3(E1～E3)，單元長度均為600 mm。在梁底部布設(shè)FBG，錨固點位于單元分界線的位置。同時在梁中點處和加載點處安裝了3個位移計(P1～P3)。對于每一級加載，F(xiàn)BG傳感器重復(fù)測量5次，并取平均值作為該級荷載下的測量數(shù)據(jù)。

2.2 應(yīng)變測量結(jié)果

圖4a)～圖4c)分別給出了通過FBG傳感器得到的混凝土梁各單元應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果?？梢婋S著荷載逐級的增大，混凝土底部的應(yīng)變逐漸增大。圖中荷載應(yīng)變曲線存在兩個明顯的轉(zhuǎn)折點。當(dāng)荷載等級小于40 kN～50 kN時，混凝土梁處于線彈性狀態(tài)，其底部應(yīng)變量隨著荷載的增大而略有增大；當(dāng)荷載等級達到50 kN時，荷載應(yīng)變曲線的斜率明顯減小，這說明此時混凝土梁底部發(fā)生了開裂現(xiàn)象，導(dǎo)致應(yīng)變的增長速率增大，此外應(yīng)變量隨著荷載的增大幾乎保持線性增大；當(dāng)荷載等級達到150 kN時，荷載應(yīng)變曲線的斜率進一步的減小，此時應(yīng)變隨著荷載的增大而極速增大，這說明此時梁底部受拉區(qū)的縱向鋼筋發(fā)生了屈服，若進一步加載混凝土梁將發(fā)生全面破壞。通過上面分析可知，荷載應(yīng)變曲線斜率的變化能夠準(zhǔn)確的反映混凝土梁在不同荷載作用下的工作狀態(tài)。

2.3 變形監(jiān)測結(jié)果

假設(shè)混凝土梁的中和軸位于截面中間位置，即中和軸高度y=150 mm。在試驗過程中，僅在梁底面布設(shè)了FBG傳感器。把各單元監(jiān)測到的平均應(yīng)變、中和軸高度以及FBG傳感器標(biāo)距長度代入式(4)，則可以得到各級荷載下梁不同位置處的變形，如圖5所示，為了進行對比分析，圖中還給出了通過位移計實測得到的變形結(jié)果。在荷載等級較小時，混凝土底部未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，此時各單元的應(yīng)變監(jiān)測值相對較小，由FBG傳感器監(jiān)測的變形與位移計實測的結(jié)果存在較大的差別。當(dāng)荷載等級達到50 kN時，混凝土底部出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象，此時FBG傳感器變形監(jiān)測結(jié)果與位移計實測結(jié)果的差別明顯減小，且各單元的位移隨著荷載的增加而線性增大。隨著荷載等級的進一步增長，裂縫寬度也隨之不斷增大，使得FBG傳感器的應(yīng)變重分布現(xiàn)象越發(fā)明顯，從而對位移監(jiān)測的精度產(chǎn)生一定程度上的影響。因此在實際監(jiān)測工作中，傳感器錨固點的位置盡可能避開裂縫最易開展的位置。當(dāng)荷載超過90 kN之后，混凝土梁進入全面破壞狀態(tài)，此時中和軸位置迅速上移，中和軸高度恒定的假定也將失效。若繼續(xù)假定中和軸位于截面中間位置，必將一定程度上導(dǎo)致變形監(jiān)測結(jié)果大于實際變形，且監(jiān)測誤差隨著荷載的增大不斷增大。當(dāng)荷載達到150 kN時，P1～P3點變形監(jiān)測誤差分別達到了30%,43%和12%。

3 結(jié)語

本文采用高耐久性的玄武巖纖維材料對FBG進行了封裝，并利用分布式FBG傳感系統(tǒng)獲取了分布式應(yīng)變，進而采用基于共軛梁法的變形計算算法實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測。以一簡支混凝土梁為研究對象進行了試驗驗證，結(jié)果表明由長標(biāo)距FBG傳感器所測應(yīng)變計算得到的結(jié)構(gòu)變形與位移計的實測結(jié)果吻合良好；在實際監(jiān)測工作中，傳感器錨固點的位置盡可能避開裂縫最易開展的位置。