分布式光纖傳感技術(shù)在蝸殼模型試驗(yàn)中的應(yīng)用

李 潔，張宏戰(zhàn)，任 亮，李宏男，袁超林

(1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024；2.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

0 引言

近年來(lái)，光纖傳感作為一種快速發(fā)展的傳感檢測(cè)技術(shù)，可獲得溫度、應(yīng)變、壓力等信息，成功應(yīng)用于航空航天、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[1]。光纖既作為傳感元件，又作為傳輸元件，對(duì)比傳統(tǒng)傳感器，光纖類(lèi)傳感器具有靈敏度高，精度高，抗電磁干擾，耐腐蝕，體積小，易安裝等優(yōu)點(diǎn)[2]。光纖類(lèi)傳感器包括光纖光柵傳感器和分布式光纖傳感器。常見(jiàn)的光纖光柵傳感器有基片式和夾持式等，目前光纖光柵傳感器發(fā)展較成熟，已廣泛應(yīng)用于工程試驗(yàn)[3]及實(shí)際工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中[4-5]。相對(duì)于光纖光柵傳感器，分布式光纖傳感器發(fā)展尚不成熟。近年來(lái)，為了準(zhǔn)確測(cè)量一定范圍內(nèi)的應(yīng)變分布情況，基于光頻域反射技術(shù)(OFDR)的光纖連續(xù)定位應(yīng)變測(cè)量傳感方法得到了快速發(fā)展，這種方法利用分布式光纖傳感器既實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變定量測(cè)量，又反映了應(yīng)變空間分布信息，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變定位功能[6]。

由于分布式光纖易折的物理特性，應(yīng)用于實(shí)際工程的情況較少，本文將分布式光纖傳感器應(yīng)用于蝸殼模型試驗(yàn)中，監(jiān)測(cè)蝸殼外包混凝土應(yīng)變分布狀況。蝸殼結(jié)構(gòu)是一種典型壓力容器，外圍混凝土和鋼蝸殼之間存在接觸非線性問(wèn)題，為數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)的確定造成了一定的困難，蝸殼結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)作為數(shù)值計(jì)算結(jié)果合理性和正確性的驗(yàn)證手段，其作用不可代替[7-8]。不設(shè)鋼襯的鋼筋混凝土蝸殼，混凝土的開(kāi)裂會(huì)對(duì)蝸殼的運(yùn)行剛度及耐久性產(chǎn)生不利影響，故而其限裂防滲要求很?chē)?yán)苛，蝸殼混凝土的應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)是蝸殼試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可幫助確定蝸殼裂縫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，合理配置鋼筋優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。以往模型試驗(yàn)[9]多采用傳統(tǒng)應(yīng)變片及光纖光柵傳感器進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，此次試驗(yàn)利用分布式光纖獲取數(shù)據(jù)，成功監(jiān)測(cè)蝸殼混凝土在逐級(jí)加載過(guò)程中的變形及裂縫發(fā)展情況，及時(shí)定位裂縫產(chǎn)生的位置和時(shí)間，對(duì)蝸殼的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 分布式光纖傳感技術(shù)

1.1 OFDR測(cè)量原理

分布式光纖傳感器采用普通通信光纖，基于OFDR可實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)定量、定位的應(yīng)變及溫度測(cè)量。

OFDR原理如圖1所示，光源發(fā)出的經(jīng)線性掃描的連續(xù)光被耦合器分為兩束，其中一束被注入到傳感光纖，由于光纖折射率的微觀不均勻性，在傳播時(shí)會(huì)不斷地產(chǎn)生瑞利散射信號(hào)，這些瑞利散射信號(hào)成為信號(hào)光經(jīng)過(guò)耦合器被耦合到光電探測(cè)器中。另一束光，經(jīng)反射后作為參考光通過(guò)耦合器被耦合到光電探測(cè)器中[10]。二者由于存在光程差，相遇時(shí)會(huì)產(chǎn)生干涉，在頻域上對(duì)其解析即可獲得空間及時(shí)間層面上的待測(cè)信息。

圖1 OFDR原理圖

(1)

參考光表達(dá)式為

Er(0,t)=Arexp[-2iβ(t)xr]

(2)

推導(dǎo)出最終歸一化信號(hào)為

(3)

式中G(x)=[σ(x)α(x)]exp[2iβ0(x-xr)],G(x)dx以2γ|x-xr|的頻率隨時(shí)間波動(dòng)，如果取xr=0，則波動(dòng)頻率與光纖中的位置x一一對(duì)應(yīng)，可以通過(guò)求解g(γt)頻譜上各頻率點(diǎn)推出光纖中各點(diǎn)的位置。由于G(x)dx與光纖沿線的衰減成正比，光纖沿線各位置處的衰減情況可從各個(gè)頻率點(diǎn)的功率求得。

1.2 分布式光纖傳感器標(biāo)定試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)分布式光纖的工作性能，將分布式光纖粘貼在鋼板上進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。鋼板的楊氏模量為2.06×105MPa，截面尺寸為30 mm×4 mm。粘貼前打磨鋼板表面，并用酒精清潔。在鋼板中心位置用502沿縱向粘貼20 cm分布式裸光纖，用來(lái)測(cè)量鋼板上的應(yīng)變分布。將鋼板固定在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，如圖2所示。以2 kN的級(jí)差從0連續(xù)加載至24 kN，每級(jí)保載200 s。理論上，每級(jí)荷載下鋼板的軸向應(yīng)變分布應(yīng)為水平線。圖3為分布式光纖鋼板拉伸試驗(yàn)結(jié)果。由圖3可知，測(cè)得的應(yīng)變結(jié)果符合鋼板在軸向拉力作用下的應(yīng)變分布情況。

圖2 標(biāo)定試驗(yàn)

圖3 分布式光纖鋼板拉伸試驗(yàn)結(jié)果

為了評(píng)估應(yīng)變測(cè)量性能，提取中間點(diǎn)在每級(jí)加載步驟下的應(yīng)變測(cè)量值(見(jiàn)圖4)，該線性相關(guān)系數(shù)大于0.999 4，測(cè)量結(jié)果線性良好，表明分布式光纖傳感器測(cè)量穩(wěn)定。

圖4 分布式光纖傳感器校準(zhǔn)結(jié)果

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型尺寸及傳感器布置

試驗(yàn)原型水電站混凝土蝸殼進(jìn)口最大凈寬度為30.62 m，最大高度為16.26 m。蝸殼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀伪瘸邽?∶20。完成養(yǎng)護(hù)的蝸殼模型如圖5所示。測(cè)試內(nèi)容主要包括混凝土應(yīng)變，蝸殼外圍混凝土變形及裂縫發(fā)展。

圖5 蝸殼模型圖

分布式光纖應(yīng)變傳感器主要用于測(cè)量蝸殼進(jìn)口段側(cè)墻外表面混凝土應(yīng)變，布置如圖6所示。

圖6 分布式光纖應(yīng)變傳感器測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 分布式光纖傳感器安裝

將布設(shè)分布式光纖位置附近用打磨機(jī)打磨平整，然后用砂紙沿45°方向打磨，酒精擦拭干凈后，在布設(shè)位置處劃線，將光纖拉緊貼近混凝土，固定兩端，涂抹502膠水，保持張拉狀態(tài)至膠水完全凝固。

2.3 試驗(yàn)方案和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在鋼筋混凝土蝸殼澆筑養(yǎng)護(hù)成型后，按下列步驟進(jìn)行加載試驗(yàn)：

1) 以0.025 MPa的荷載級(jí)差，先加載至0.1 MPa。

2) 減小級(jí)差至0.02 MPa繼續(xù)加載，逐級(jí)加載至0.42 MPa。 減小級(jí)差至0.01 MPa，逐級(jí)加載至0.465 MPa。每級(jí)荷載持荷5 min，測(cè)量混凝土應(yīng)變值，觀察混凝土外表面及分析混凝土應(yīng)變值判斷混凝土是否開(kāi)裂，混凝土一旦開(kāi)裂將荷載級(jí)差即刻降為0.01 MPa。然后記錄各級(jí)荷載下裂縫的開(kāi)展范圍，并測(cè)讀裂縫的寬度。

3) 繼續(xù)分級(jí)加載進(jìn)行超載試驗(yàn)，荷載級(jí)差升至0.02 MPa，最終加載至0.686 MPa。每級(jí)荷載持荷5 min，測(cè)量混凝土應(yīng)變值，觀察混凝土外表面及分析混凝土應(yīng)變值判斷混凝土是否開(kāi)裂，記錄各級(jí)荷載下裂縫的開(kāi)展范圍并測(cè)讀裂縫的寬度。

分布式光纖應(yīng)變測(cè)量采用美國(guó)LUNA公司的ODiSI-A分布式光纖傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用通信光纖作為傳感器，可以監(jiān)測(cè)光纖任何位置的溫度和應(yīng)變信息，最小空間分辨率可達(dá)1 mm，最大傳感測(cè)試長(zhǎng)度可達(dá)50 m。圖7為ODiSI-A分布式光纖傳感系統(tǒng)。

圖7 ODiSI-A分布式光纖傳感系統(tǒng)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由于分布式光纖應(yīng)變傳感器需要逐根測(cè)量，且單根測(cè)讀用時(shí)較長(zhǎng)，在持荷時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成所有傳感器的測(cè)量，故選取豎向中間一條分布式光纖傳感器V3進(jìn)行逐級(jí)測(cè)量。圖8為有效測(cè)試范圍內(nèi)側(cè)墻外表面混凝土在各級(jí)水壓力下的應(yīng)變分布。圖9為設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力0.465 MPa下側(cè)墻外表面混凝土的應(yīng)變分布。

圖8 各級(jí)內(nèi)水壓力下混凝土表面應(yīng)變分布圖

圖9 0.465 MPa內(nèi)水壓力下分布式光纖V3測(cè)量截面應(yīng)變圖

由圖8、9可知，側(cè)墻跨中部位均表現(xiàn)為拉應(yīng)變，隨著內(nèi)水壓力的增大，跨中拉應(yīng)變峰值逐漸突出，而在靠近蝸殼頂板和底板位置，各級(jí)荷載下側(cè)墻外側(cè)混凝土應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，且向頂板和底板延伸一定范圍內(nèi)均表現(xiàn)為壓應(yīng)變。采用分布式光纖傳感器能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)側(cè)墻外表面混凝土應(yīng)變沿高度方向的分布規(guī)律。在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力0.465 MPa，測(cè)得的側(cè)墻外表面豎向拉應(yīng)變最大值為148 με，通過(guò)肉眼觀測(cè)在對(duì)應(yīng)位置處未發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)裂縫，說(shuō)明蝸殼在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力下工作性能良好。

為確定側(cè)墻外表面混凝土的開(kāi)裂荷載，提取了圖8中應(yīng)變峰值對(duì)應(yīng)點(diǎn)(光纖長(zhǎng)度6.090 02 m)處混凝土在各級(jí)內(nèi)水壓力下的應(yīng)變數(shù)值，圖10為該點(diǎn)混凝土應(yīng)變與內(nèi)水壓力的變化關(guān)系。

圖10 峰值點(diǎn)應(yīng)變-內(nèi)水壓力變化曲線

由圖10可知，在內(nèi)水壓力小于0.465 MPa時(shí)，混凝土拉應(yīng)變與內(nèi)水壓力呈良好的線性關(guān)系，混凝土外表面未發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)裂縫，說(shuō)明在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力0.465 MPa下側(cè)墻外表面混凝土不會(huì)開(kāi)裂。試驗(yàn)進(jìn)入超載階段后，在內(nèi)水壓力小于0.56 MPa時(shí)，混凝土拉應(yīng)變與內(nèi)水壓力仍表現(xiàn)為良好的線性關(guān)系，只是斜率有所下降，混凝土外表面未發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)裂縫，說(shuō)明側(cè)墻混凝土外表面仍未開(kāi)裂。當(dāng)內(nèi)水壓力超過(guò)0.56 MPa時(shí)，混凝土應(yīng)變突然增大，內(nèi)水壓力達(dá)到0.58 MPa時(shí)，混凝土應(yīng)變?cè)龇_(dá)533 με，曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，說(shuō)明混凝土發(fā)生開(kāi)裂，側(cè)墻外表面混凝土的開(kāi)裂荷載為0.56 MPa。同級(jí)荷載下側(cè)墻外表面未發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)裂縫，直到內(nèi)水壓力達(dá)到0.62 MPa時(shí)，才在對(duì)應(yīng)位置發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)裂縫。這說(shuō)明分布式光纖傳感器不僅能夠精確地定位裂縫的位置，還能確定混凝土開(kāi)裂時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了OFDR測(cè)量原理，對(duì)分布式光纖的工作性能進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示分布式光纖傳感器傳感性能穩(wěn)定，適用于工程試驗(yàn)。將分布式光纖傳感器應(yīng)用于蝸殼模型試驗(yàn)，粘貼在混凝土表面，分布式光纖傳感器測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)反映出混凝土的空間應(yīng)變分布信息。測(cè)量結(jié)果表明加載至0.56 MPa時(shí)，應(yīng)變與內(nèi)水壓力曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，分布式光纖傳感器及時(shí)捕捉到開(kāi)裂時(shí)間和開(kāi)裂荷載，當(dāng)加載至0.62 MPa時(shí)在應(yīng)變峰值點(diǎn)處發(fā)現(xiàn)第一條可見(jiàn)裂縫，定位出混凝土開(kāi)裂位置，達(dá)到了測(cè)量目的。分布式光纖傳感器反映應(yīng)變空間分布，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變定位的能力為蝸殼混凝土外部的變形監(jiān)測(cè)提供了良好的測(cè)量手段。