利用光柵傳感器的公路橋梁施工監(jiān)測

【摘要】土木工程界對監(jiān)測結(jié)構(gòu)行為和評估其相應(yīng)的集成越來越感興趣。采用光纖布拉格光柵（光纖布拉格光柵）傳感器，研究了公路橋梁施工過程中水化過程和養(yǎng)護(hù)過程的現(xiàn)場特性。此外，橋梁的安全性和使用性能可以通過諸如收縮和徐變之類的材料特性來改變，這些特性與預(yù)應(yīng)力應(yīng)變和拆除支撐框架時的沉降相關(guān)。同時，還對預(yù)應(yīng)力過程和移除支撐框架過程中每個步驟的時間表的響應(yīng)和有效性進(jìn)行了檢驗(yàn)。顯然，光纖布拉格光柵傳感器是公路橋梁在建設(shè)和使用壽命期間功能集成和響應(yīng)的智能傳感器候選。

【關(guān)鍵詞】光柵傳感器;橋梁;智能監(jiān)測;健康評估;混凝土;數(shù)據(jù)處理;箱梁

1、引言

土木工程界對監(jiān)測結(jié)構(gòu)行為和評估其相應(yīng)的集成越來越感興趣[1]。一般來說，橋梁必須定期檢查和評估，以確保安全和功能。目前使用的健康評估和損傷檢測方法是視覺檢查或局部無損評估（無損評價）技術(shù)[2]，如聲學(xué)、超聲學(xué)、沖擊回波、雷達(dá)、紅外、磁學(xué)、渦流和環(huán)境/強(qiáng)迫振動測試。然而，無損評價方法可能非常昂貴和不方便，因?yàn)楣窐蛄航Y(jié)構(gòu)在線監(jiān)測需要現(xiàn)場實(shí)施，必須經(jīng)常進(jìn)行。因此，我們瞄準(zhǔn)了在傳感技術(shù)方面的進(jìn)展，即更容易安裝、使用和維護(hù)的長期監(jiān)測系統(tǒng)。長期監(jiān)測可增加對結(jié)構(gòu)實(shí)時行為的了解，并協(xié)助規(guī)劃維修干預(yù)。挑戰(zhàn)在于開發(fā)能夠在現(xiàn)場進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康在線評估的技術(shù)，從建造這些公路橋梁開始[3]。新橋的建造為安裝傳感器和數(shù)據(jù)處理提供了獨(dú)特的機(jī)會，這將有助于長期評估其使用狀況。眾所周知，監(jiān)測橋梁的行為，特別是在結(jié)構(gòu)的初始施工階段，是非常重要的。此外，除了橋梁本身的性能外，當(dāng)移除支撐框架時，結(jié)構(gòu)的安全性也受到關(guān)注;施工期間偶爾發(fā)生倒塌事故。早期預(yù)警系統(tǒng)，例如可靠和穩(wěn)定的監(jiān)測系統(tǒng)，提供了在災(zāi)難發(fā)生之前對橋梁進(jìn)行補(bǔ)救工作的時間。此外，長期監(jiān)測可以提供關(guān)于惡化的性質(zhì)和程度的全面信息，以便做出明智的管理決策。沒有明顯的外部振動的固結(jié)對于當(dāng)今高性能混凝土尤其具有挑戰(zhàn)性，高性能混凝土具有低的水膠比材料。自密實(shí)混凝土可以壓實(shí)到模板的每個角落，完全由它自己的重量和不需要振動壓實(shí)[4]。自密實(shí)混凝土的優(yōu)點(diǎn)有很多：它節(jié)省人力和時間，可以縮短施工周期;它具有一致的質(zhì)量布置;它可以放置在不可接近或高度加固和擁擠的地區(qū)，并且它還具有長期耐久性[4]。

本文研究了自密實(shí)混凝土的水化過程和固化過程的原位特征，以便更好地了解自密實(shí)混凝土的性能和行為。此外，橋梁的安全性和使用性能可以通過諸如收縮和徐變之類的材料特性來改變，這些特性與預(yù)應(yīng)力應(yīng)變和拆除支撐框架時的沉降相關(guān)。在預(yù)應(yīng)力過程和移除支撐框架期間，還檢查了進(jìn)度表在每個步驟的響應(yīng)和有效性。

2、自密實(shí)混凝土水化進(jìn)展

混凝土結(jié)構(gòu)的凝固硬化過程，尤其是混凝土早期的凝固硬化過程，被認(rèn)為是混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命中最關(guān)鍵的階段。混凝土水化是一個復(fù)雜的物理化學(xué)放熱過程。水化變形的持續(xù)時間從幾天到幾周不等，這取決于混凝土構(gòu)件的熱性能、添加劑、環(huán)境條件、固化和結(jié)構(gòu)元件的幾何形狀。研究水化變形一般有兩種方法：數(shù)值模擬和監(jiān)測。由于問題的復(fù)雜性，數(shù)值模擬非常復(fù)雜。因此，早期監(jiān)測收集的數(shù)據(jù)代表了解真實(shí)結(jié)構(gòu)行為的獨(dú)特技術(shù)。通常，這是通過無損評價方法進(jìn)行的，例如利用埋入混凝土中的鋼板的超聲波反射，以測量施工期間鋼-混凝土界面處剪切波的反射損失[5]。反射損失與早期抗壓強(qiáng)度呈線性關(guān)系。然而，由于技術(shù)上的考慮，這種測量不能在夜間進(jìn)行。由于我們需要連續(xù)實(shí)時監(jiān)控，所以沒有使用這種方法。

一般來說，建議從澆注混凝土?xí)r就開始監(jiān)測。用這種方法，可以測量整個變形歷史。這包括在混凝土仍然硬化時產(chǎn)生的早期變形。此外，由于該橋位于地震區(qū)，因此為了避免鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力受到干擾，在線施工監(jiān)測非常重要。最初20小時后，混凝土開始收縮。從19小時至23小時連續(xù)產(chǎn)生收縮應(yīng)變。在這段時間里可以看到一個類似噪音的信號。這種收縮是由兩種相反的變形綜合而成的：水泥水化引起的化學(xué)收縮和混凝土溫度升高引起的熱膨脹。蓋板的上部形狀在24至25小時左右被移除。綜上所述，基于水化硬化過程的結(jié)果，光纖布拉格光柵傳感器對水化過程的歷史響應(yīng)良好。還可以在線監(jiān)視上表單的相應(yīng)刪除。一般來說，當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室中用標(biāo)準(zhǔn)圓柱體/立方體試樣測試混凝土的強(qiáng)度時，它可能無法轉(zhuǎn)化為原位強(qiáng)度的精確測量。然而，原位水化可顯著影響原位強(qiáng)度;在此，光纖布拉格光柵傳感器提供了用于在線監(jiān)測以及估計(jì)結(jié)構(gòu)中混凝土的早期強(qiáng)度的手段。這些收集到的信息將在未來結(jié)合實(shí)驗(yàn)室結(jié)果進(jìn)一步分析。最終，這些數(shù)據(jù)允許估計(jì)原位和常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)立方體或圓柱體強(qiáng)度之間的關(guān)系，從而能夠進(jìn)行安全和有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

結(jié)論：

研究結(jié)果表明，光纖布拉格光柵（光纖布拉格光柵）傳感器作為一種健康監(jiān)測系統(tǒng)，用于記錄橋梁施工過程中的水化效應(yīng)、養(yǎng)護(hù)周期、預(yù)應(yīng)力響應(yīng)以及支撐架的拆除情況，具有優(yōu)越性。在這座公路大橋的建設(shè)過程中，自密實(shí)混凝土似乎如預(yù)期的那樣成功地實(shí)施了。從常規(guī)電阻應(yīng)變計(jì)收集的數(shù)據(jù)是不可靠的，而光纖布拉格光柵傳感器被清楚地顯示為在公路橋梁的建設(shè)和使用壽命期間功能集成和響應(yīng)的智能傳感器候選者。

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[5]張啟偉.大型橋梁健康監(jiān)測概念與監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2001，29（1）：65-69.

作者簡介：

曾毅，中國江西國際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作有限公司，江西南昌。