內(nèi)嵌大量程光纖光柵傳感器的智能拉索研制及應用

黃 忠,胥獻忠,鄧 耀,周懷健,孫玉濤,沈全喜

(1.中國建筑第五工程局有限公司,湖南 長沙 410004;2.桂林理工大學 地球科學學院,廣西 桂林 541004)

0 引言

隨著科學技術(shù)和社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展,建筑結(jié)構(gòu)逐漸向大型化、復雜化及輕量化發(fā)展,而密閉索[1]作為一種新型的建筑結(jié)構(gòu)拉索,能滿足不同類型建筑結(jié)構(gòu)的建造需求。密閉索索體由多層不同類型的鋼絲經(jīng)旋轉(zhuǎn)捻制而成,具有耐腐蝕、耐火、不旋轉(zhuǎn)及摩擦系數(shù)大等特點。密閉索作為建筑結(jié)構(gòu)中重要的受力構(gòu)件,其受荷狀態(tài)直接對建筑結(jié)構(gòu)的施工和安全使用產(chǎn)生重大影響。因此,有效監(jiān)測拉索索力是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測[2-4]的重要任務(wù)之一。

目前,拉索索力的測量方法一般通過獲取由外加荷載引起索體某種物理參量的變化,間接計算索力大小。在工程應用中,常用的索力測量方法[5-7]有壓力表測量法、壓力傳感器測量法、振動頻率法、電阻應變片測量法及磁通量傳感器測量法。壓力表測量法和壓力傳感器測量法在使用前需要對設(shè)備進行校準,且設(shè)備在經(jīng)過一段服役期后,測量誤差較大;振動頻率法在索-阻尼器體系的索力計算中存在較大誤差;電阻應變片測量法的粘貼工藝和膠水的性能直接影響測量精度,且索力絕對值也難以確定;磁通量傳感器測量法易受外界電磁干擾的影響。為了解決上述索力監(jiān)測中存在的問題,研究人員將目光聚焦在一種新型傳感器——光纖光柵傳感器[8-10]。光纖光柵傳感器以光為傳感媒介,具有抗電磁干擾、耐腐蝕、傳輸速度快及信息容量大等特點?；谏鲜鎏匦?研究人員開始探索將光纖光柵傳感器引入工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測領(lǐng)域。針對拉索的索力監(jiān)測,莊勁松[11]將光纖光柵傳感器封裝在鋼管中,并通過支座將封裝后的傳感器安裝在靠近錨端的斜拉索內(nèi)部,實現(xiàn)大橋斜拉索索力的智能化監(jiān)測;Gomez-Martinez R等[12]將光纖應變傳感器安裝在斜拉橋主梁底部,對橋梁的靜、動載試驗進行監(jiān)測;王天鵬等[13]設(shè)計了一種可更換光纖光柵傳感器的測力環(huán),將數(shù)個光纖光柵傳感器均勻安裝于環(huán)形彈性體四周,并利用波分復用技術(shù)將該測力環(huán)進行組網(wǎng),實現(xiàn)拉索索力自動化監(jiān)測;Li Feng等[14]將光纖光柵傳感器耦合在螺旋碳纖維筋內(nèi)部制成智能螺旋碳纖維筋,并利用此智能筋對鋼絞線拉索荷載進行監(jiān)測;劉曉江等[15]利用GFRP封裝光纖光柵傳感器,將其錨固在鋼絞線表面進行拉伸實驗,驗證了該封裝結(jié)構(gòu)用于實際工程測量的可行性;李紅明等[16]將光纖光柵應力和溫度傳感器封裝在不銹鋼管內(nèi)部,利用基座夾具將傳感器安裝在拉索表面,通過測量基座間拉索的應變推算出索力變化值。

雖然現(xiàn)有的光纖光柵傳感器索力監(jiān)測方案能夠?qū)崿F(xiàn)索力監(jiān)測,但傳感器封裝結(jié)構(gòu)形式復雜,且安裝方式為螺栓固定,索力監(jiān)測的穩(wěn)定性及耐久性無法得到保障。針對光纖光柵傳感器在索力監(jiān)測中存在的安裝條件及監(jiān)測量程不足的問題,本文設(shè)計了一種光纖光柵智能拉索。通過在拉索內(nèi)部中心絲上設(shè)置縱向凹槽,使用特種膠粘劑將光纖光柵傳感器封裝在凹槽內(nèi)部,在基本不影響拉索力學性能的情況下,利用索體自身對光纖光柵傳感器進行封裝保護。其結(jié)構(gòu)型式簡單,索力監(jiān)測更準確,滿足拉索的索力全壽命動態(tài)實時監(jiān)測。

1 光纖光柵傳感原理

利用光纖材料的光敏性,通過紫外光曝光的方法對光纖纖芯進行刻寫,使纖芯的折射率沿軸向周期性變化,從而形成永久性的相位光柵,制成高靈敏度光纖光柵傳感器。當一束寬帶光入射光纖光柵時,滿足一定條件的光被光柵反射回來,而剩余的光則會被透射出去,如圖1所示。反射光的中心波長λB與光柵的折射率變化周期Λ、纖芯有效折射率neff有關(guān),即:

λB=2neffΛ

(1)

圖1 光纖光柵反射和透射特性

光柵的neff和Λ因受應變、溫度等因素影響,導致光纖光柵傳感器反射中心波長發(fā)生移動[17-18]。通過解調(diào)傳感器反射中心波長能夠精確檢測外部信息變化。在工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測中,結(jié)構(gòu)的受荷變形是造成波長漂移最直接的因素,波長變化量[19-21]為

(1-Pe)ε

(2)

式中:ΔλB為光纖光柵波長變化量;P11、P12為彈光系數(shù);υ為泊松比;ε為應變。

由式(2)可見,波長變化量與應變具有一定的線性關(guān)系,這從理論上保證了光纖光柵在實際監(jiān)測應用中具有良好的線性度。

2 光纖光柵智能拉索設(shè)計

拉索選用ZS密閉索,索體直徑為?65 mm,有效橫截面積為2 980 mm2,彈性模量為(1.6±0.05)×105MPa,強度級別為1 570 MPa,最小破斷荷載為4 100 kN,拉索構(gòu)造如圖2所示。本文選用均勻光纖光柵傳感器作為監(jiān)測元件,其折射率和柵格周期均為常數(shù),且反射率高、反射帶寬窄,結(jié)構(gòu)及參數(shù)如表1所示。拉索主要承受軸向荷載,其節(jié)點間荷載分布基本一致,故將傳感器布設(shè)在距離拉索端部3 m處。

圖2 ZS密閉索

表1 光纖光柵性能參數(shù)

解調(diào)儀解調(diào)范圍為1 525～1 565 nm,采樣頻率為1 Hz,波長精度為2.5 pm,分辨率為1 pm。

光纖光柵智能拉索的制作過程:

1) 索體捻制前選取拉索中心絲,在其表面沿長度方向刻置深0.5 mm、寬1 mm的凹槽。

2) 中心絲持荷狀態(tài)下,使用特種膠粘劑將光纖光柵傳感器封裝至凹槽內(nèi)部,膠粘劑到達指定強度后,卸載中心絲,利用壓應變的恢復,擴大光纖光柵傳感器的監(jiān)測量程。

3) 將中心絲與外絲進行捻合,制成光纖光柵智能拉索,并將光纖從索體端部引出,如圖3所示。采用內(nèi)嵌技術(shù)將光纖光柵傳感器內(nèi)嵌于索體內(nèi)部,不額外占用安裝空間,施工過程方便,無需增加任何輔助工藝,并且在安裝和使用過程中拉索鋼絲能有效保護光纖光柵傳感器,使其免遭破壞。

圖3 光纖光柵智能拉索

3 光纖光柵智能拉索張拉試驗

拉索長度為6 m,對拉索先后進行最大張拉荷載為60%Pb、80%Pb(極限荷載Pb=4 100 kN)的重復張拉試驗。為消除由拉索自重導致的索體彎曲,初始荷載設(shè)定為250 kN,張拉采取逐級加載,每級荷載為250 kN,每級加載完成后持荷5 min,記錄荷載、光纖光柵傳感器波長讀數(shù),加載至最大張拉荷載后卸載,重復上述張拉過程3次。試驗過程中環(huán)境溫度保持恒定,試驗設(shè)備如圖4所示。

圖4 試驗設(shè)備

光纖光柵傳感器波長變化量與張拉荷載的關(guān)系如圖5所示。

圖5 波長變化量與荷載關(guān)系曲線

由圖5可知,在拉索加載和卸載過程中,光纖光柵傳感器的監(jiān)測波長隨著荷載的改變而變化,監(jiān)測數(shù)據(jù)具有很好的線性度和重復性,且光纖光柵傳感器的監(jiān)測量程可達到80%Pb。圖5(a)中圖形有部分彎曲,這可能是拉索自身存在非彈性變形,隨著荷載增大,拉索非彈性變形逐漸消減。圖5(b)中圖形線性度較好,其原因在于拉索經(jīng)過前3次60%Pb的張拉,非彈性變形基本消除,故后續(xù)分析都以最大張拉荷載達到80%Pb的拉索為分析對象。

3.1 光纖光柵智能拉索靈敏度

拉索在安裝前都需進行預張拉,從而達到消減非彈性變形的目的,以最大張拉荷載80%Pb為分析對象,對光纖光柵智能拉索靈敏度進行分析。光纖光柵智能拉索的靈敏度是指工作狀態(tài)下光纖光柵傳感器波長變化量與荷載變化量的比值。通過對拉索3次循環(huán)張拉測試數(shù)據(jù)的擬合處理,光纖光柵智能拉索的靈敏度如表2所示。

由表2可知,光纖光柵智能拉索的監(jiān)測靈敏度平均值為0.002 66 nm/kN,線性相關(guān)系數(shù)達到0.99。

3.2 光纖光柵智能拉索線性度

線性度ξL是衡量傳感器監(jiān)測特性的重要指標,表示傳感器輸出數(shù)值曲線與線性擬合直線間的最大偏差與滿量程輸出的百分比,即:

(3)

式中:ΔλL,max為光纖光柵智能拉索波長變化量的算術(shù)平均值與波長變化量擬合值之間的最大差值;ΔλFS為光纖光柵智能拉索波長滿量程輸出值。由式(3)可知,ξL值越小,線性度越高。

根據(jù)張拉數(shù)據(jù)計算出光纖光柵智能拉索波長變化量的算術(shù)平均值,采用最小二乘法進行線性擬合,得到擬合直線:加載y=0.002 65x-0.591 97、卸載y=0.002 67x-0.576 76。將張拉荷載代入擬合直線,得到波長變化量擬合值,最后計算出偏差值,計算結(jié)果如表3所示。由表可見,光纖光柵智能拉索波長變化量平均值與擬合值的最大差值分別為加載0.237 nm、卸載0.249 nm。根據(jù)式(3)計算得到光纖光柵智能拉索線性度加載時ξL=2.76%,卸載時ξL=2.86%。

表3 光纖光柵智能拉索線性度計算

3.3 光纖光柵智能拉索遲滯

遲滯表示傳感器在同一輸入量下,正、反行程的輸出信號不一致現(xiàn)象。對光纖光柵智能拉索加載、卸載試驗數(shù)據(jù)進行分析,得到光纖光柵智能拉索加、卸載波長變化量的參數(shù)如表4所示。

表4 光纖光柵智能拉索遲滯性計算

光纖光柵智能拉索的遲滯ξH表示為傳感器在加載、卸載中波長變化量最大偏差值與滿量程輸出值的比值,即:

(4)

式中ΔλH,max為加載、卸載過程中光纖光柵智能拉索波長變化量平均值的最大差值。

根據(jù)表4可得,光纖光柵智能拉索在加、卸載過程中最大波長偏差值ΔλH,max=0.133。由式(4) 計算可得到ξH=1.53%。

3.4 傳感器重復性

重復性是指傳感器在相同的工作條件下,連續(xù)多次加載或卸載時所得監(jiān)測曲線不一致的程度。傳感器的重復性誤差反映在相同荷載作用下,多次加載或卸載過程中,光纖光柵智能拉索波長變化量能否一致的性能指標,重復性誤差為

(5)

式中:c=t0.95(t分布,置信概率為95%)為包含因子;ΔλR,max為標準偏差最大值。依據(jù)貝塞爾公式法計算標準偏差,有:

(6)

根據(jù)拉索3次循環(huán)試驗的測試數(shù)據(jù),分別計算加載、卸載時的標準偏差,結(jié)果如表5所示。

表5 加載、卸載標準偏差計算結(jié)果

根據(jù)表5可知,加載時最大標準偏差為0.048,卸載時最大標準偏差為0.045,當保證95%的置信度時,包含因子c=4.303。由式(5)可得光纖光柵智能拉索的加載重復性誤差ξR=2.40%,卸載重復性誤差ξR=2.23%,證明光纖光柵智能拉索具有良好的重復性。

3.5 總精度

為了全面綜合地評價傳感器的性能優(yōu)劣,一般用總精度(或總不確定度)衡量傳感器性能。總精度反映了在一定置信度下,傳感器的實際輸出對其理論特性或工作特性的偏離皆不超過的一個范圍?？偩葹?/p>

(7)

通過重復張拉試驗,分別對傳感器的遲滯、線性度、重復性指標進行分析,將上述數(shù)據(jù)代入式(7),可得光纖光柵智能拉索的總精度P=4.03%。光纖光柵智能拉索具有優(yōu)良的感知性能,目前該新型拉索已被應用于順德區(qū)德勝體育中心項目,通過內(nèi)置光纖光柵傳感器對拉索進行施工監(jiān)測和長期監(jiān)測,保障結(jié)構(gòu)的安全使用。

4 工程應用

將智能拉索應用在某體育場館馬鞍形索網(wǎng)結(jié)構(gòu)中,其中索網(wǎng)部分長軸為109 m,短軸為71 m。 索網(wǎng)標高范圍為12.85～20.85 m,跨中標高為16.85 m。馬鞍形索網(wǎng)短向矢跨比為4/71=1/17.75,長向矢跨比為 4/109=1/27.25,如圖6所示。

圖6 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)

選取編號為S1、S2、S3的3根拉索。為了控制結(jié)構(gòu)的整體形狀,拉索兩端同步分級張拉,同步張拉細分為5級:初緊狀態(tài)—10%Pb—20%Pb—30%Pb—40%Pb—45%Pb。索網(wǎng)施工過程中分別利用光纖光柵傳感器和液壓千斤頂對索網(wǎng)張拉進行監(jiān)測,根據(jù)3.1節(jié)中光纖光柵智能拉索的監(jiān)測靈敏度,通過光纖光柵傳感器的波長變化值計算出拉索監(jiān)測荷載,并與千斤頂?shù)膹埨奢d進行對比,如表6-8所示。

注:Δλ為波長變化量;FFBG為光纖光柵監(jiān)測荷載;FZ為千斤頂荷載。

由表6-8可見,光纖光柵傳感器能對拉索的張拉過程進行監(jiān)測。在張拉初始階段,光纖光柵監(jiān)測荷載與千斤頂荷載誤差較大,分別達到-12.13%、-8.50%、-9.62%;隨著張拉過程的進行,誤差迅速減小,當張拉完成后兩者誤差分別為-1.24%、2.95%、-0.11%。其原因可能是拉索卷起呈圓盤狀運輸,直到安裝前才恢復直線狀,所以在初始張拉階段,索體存在彎曲和非彈性變形,導致誤差較大。隨著張拉荷載的增大,上述因素逐漸消除,誤差也隨之減小。

5 結(jié)論

本文通過在拉索中心絲設(shè)置縱向凹槽,結(jié)合“預應力原理”將光纖光柵耦合在拉索內(nèi)部制成大量程光纖光柵智能拉索,并對其傳感監(jiān)測性能進行了試驗研究,得出以下結(jié)論:

1) 光纖光柵智能拉索可實時監(jiān)測拉索荷載變化,荷載監(jiān)測靈敏度約為0.002 66 nm/kN,且循環(huán)張拉過程中靈敏度波動甚微,驗證了光纖光柵傳感器封裝設(shè)計的可行性,為光纖光柵智能拉索后期的工程應用做好鋪墊。

2) 光纖光柵傳感器監(jiān)測量程可達到拉索破斷荷載的80%,遠超拉索的服役荷載。由此可見,該內(nèi)嵌光纖光柵智能拉索能有效實現(xiàn)對拉索在施工和服役階段受荷狀態(tài)的監(jiān)測,更好地保證了工程結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

3) 通過光纖光柵智能拉索循環(huán)加載、卸載試驗,對傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析處理。結(jié)果表明,光纖光柵智能拉索線性度誤差≤2.86%,遲滯誤差≤1.53%,重復性誤差≤2.40%,總精度誤差≤4.03%。該光纖光柵智能拉索具有良好的監(jiān)測性能,為解決索力監(jiān)測難題提供了新方法。

4) 工程應用中,光纖光柵傳感器能準確監(jiān)測拉索荷載。索體張拉完成后,光纖光柵傳感器監(jiān)測荷載與千斤頂荷載誤差最大為2.95%,驗證了光纖光柵傳感器索力監(jiān)測的準確性。