低周期循環(huán)荷載下內(nèi)嵌式光纖光柵自感知鋼絞線的性能

虞愛平 李俊宏 覃荷瑛

（1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林 541004；2.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004）

鋼絞線是斜拉橋或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中不可缺少的核心元件［1-2］，具有“牽一發(fā)而動全身”的作用。然而鋼絞線在高應(yīng)變低周期循環(huán)荷載作用［3-4］如地震作用下極易產(chǎn)生疲勞破壞。因此，實(shí)時監(jiān)測低周期循環(huán)荷載環(huán)境下預(yù)應(yīng)力鋼絞線的受力狀態(tài)對整個工程結(jié)構(gòu)的安全和管養(yǎng)非常重要。光纖布拉格光柵（Fiber Bragg grating，F(xiàn)BG）傳感器以光為傳感媒介，具有傳感特性穩(wěn)定、精確度高、重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，常用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的健康監(jiān)測［5-6］。內(nèi)嵌式自感知鋼絞線［7-9］是將光纖光柵與鋼絞線耦合而成的特殊鋼絞線，具備良好的力學(xué)性能和監(jiān)測性能。在鋼絞線中心絲上設(shè)置凹槽，對中心絲進(jìn)行預(yù)張拉后將光纖光柵封裝在凹槽內(nèi)，使得光纖光柵的監(jiān)測量大幅度提升，同時提高了惡劣施工環(huán)境下光纖光柵在鋼絞線中的成活率及使用壽命。

發(fā)生地震時，鋼絞線的應(yīng)變范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1%，當(dāng)其壽命在100個循環(huán)周期以上時，就可以保證構(gòu)件的安全。因此，在研究內(nèi)嵌式自感知鋼絞線的抗震性能時，應(yīng)考慮其在高應(yīng)變低周期循環(huán)荷載作用下的拉伸性能［10-12］。國外的研究、規(guī)范對鋼絞線在循壞荷載下的應(yīng)力控制、應(yīng)力幅、試驗(yàn)加載頻率和循環(huán)結(jié)束后的靜力試驗(yàn)提出了標(biāo)準(zhǔn)及評價方法［13-15］。在國內(nèi)，研究人員對鋼絞線循環(huán)荷載作用下的拉伸性能進(jìn)行了探索，肖赟等［16］從預(yù)應(yīng)力鋼絞線的疲勞斷口分析得出其破壞過程是一個不斷累積的擴(kuò)展過程，并運(yùn)用損傷剩余面積作為損傷量推導(dǎo)出預(yù)應(yīng)力混凝土剛度退化分析模型。胡新舒［17］發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)鋼絞線混凝土在循環(huán)荷載作用下具有良好的抗疲勞性能。方峰等［18］通過對預(yù)應(yīng)力鋼絞線實(shí)際施工安全性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)荷載因素對鋼絞線循環(huán)拉伸性能有影響的相關(guān)問題。姜鵬等［19］通過雨流計(jì)數(shù)法［20-21］對國家500 m口徑的天文望遠(yuǎn)鏡所用鋼絞線的不同應(yīng)力幅進(jìn)行次數(shù)統(tǒng)計(jì)，并通過試驗(yàn)解釋了鋼絞線循環(huán)荷載作用下破壞的主要原因?yàn)槟Σ粮g［22］。

我國對內(nèi)嵌光纖光柵的新型鋼絞線性能的研究工作尚處于初始探索階段，由于內(nèi)嵌式自感知鋼絞線是將光纖光柵傳感器封裝于鋼絞線內(nèi)部，在鋼絞線承受較大應(yīng)變和循環(huán)荷載作用時，保證其監(jiān)測性能的有效性成為這種新型鋼絞線具有實(shí)用性的關(guān)鍵。本文將中心絲持荷值、循環(huán)周期數(shù)、應(yīng)力幅作為變化參數(shù)，對內(nèi)嵌式自感知鋼絞線進(jìn)行低周期循環(huán)拉伸試驗(yàn)，研究光纖光柵對鋼絞線受力狀態(tài)的跟蹤監(jiān)測性能，以及試驗(yàn)結(jié)束后自感知鋼絞線的力學(xué)性能，為其在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 內(nèi)嵌光纖光柵自感知鋼絞線低周期拉伸試驗(yàn)

鋼絞線在循環(huán)荷載作用下，鋼絲單絲之間會發(fā)生摩擦作用導(dǎo)致局部產(chǎn)生細(xì)微裂紋。當(dāng)循環(huán)荷載持續(xù)一段時間后，鋼絞線會造成損傷積累，細(xì)微裂紋會不斷擴(kuò)展直至構(gòu)件斷裂，這種現(xiàn)象稱為鋼絞線疲勞破壞。對于內(nèi)嵌式自感知鋼絞線，疲勞破壞不僅影響鋼絞線本身的力學(xué)性能，還可能影響其內(nèi)部的光纖光柵傳感器在低周期循環(huán)荷載作用下的有效性。在實(shí)際工程中，鋼絞線受到的疲勞應(yīng)力常低于其屈服應(yīng)力，當(dāng)最大循環(huán)應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時屬于循環(huán)應(yīng)力疲勞。低周期循環(huán)荷載試驗(yàn)所施加的荷載為恒幅應(yīng)力循環(huán)荷載，恒幅應(yīng)力循環(huán)是指在應(yīng)力循環(huán)中，最大應(yīng)力σmax和最小應(yīng)力σmin恒定。應(yīng)力幅σa為應(yīng)力循環(huán)中的變化分量，其值為

根據(jù)GB/T 5224—2014《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》［23］的要求，低周期疲勞試驗(yàn)所用的試件長度應(yīng)保證兩夾具之間的距離不小于1 600 mm，夾持部分的長度約100 mm。取自感知鋼絞線長度2 400 mm，自感知中心絲凹槽尺寸為0.4 mm（深）×1.0 mm（寬），光纖光柵傳感器的長度取40 mm，黏結(jié)層厚度約0.3 mm。試件采用的鋼絞線為1×7標(biāo)準(zhǔn)型鋼絞線，公稱直徑15.2 mm，公稱面積140 mm2，抗拉強(qiáng)度1 860 MPa，屈服荷載225 kN，極限承載力260 kN。制作自感知鋼絞線時，先將鋼絞線用機(jī)械打散，取中心絲進(jìn)行一定荷載的預(yù)張拉，在持荷狀態(tài)下用環(huán)氧樹脂將光纖光柵傳感器粘貼于中心絲凹槽內(nèi)，待環(huán)氧樹脂達(dá)到足夠強(qiáng)度后卸載，制成光纖光柵自感知中心絲。將邊絲與中心絲扭絞后對端部進(jìn)行封裝保護(hù)制成內(nèi)嵌光纖光柵自感知鋼絞線，如圖1所示。

圖1 自感知鋼絞線封裝保護(hù)

將中心絲持荷值、循環(huán)次數(shù)、應(yīng)力幅作為變化參數(shù)。根據(jù)前期試驗(yàn)，中心絲持荷值取0.3Pb與0.4Pb（Pb為中心絲的極限承載力39.5 kN）時，監(jiān)測量程提高效果最好；循環(huán)次數(shù)選擇50次和200次作為對比；應(yīng)力幅上限取0.8fptk，下限分別取0.1 fptk，0.4fptk，fptk為鋼絞線的抗拉強(qiáng)度。設(shè)置8組試件，每組試件設(shè)置3根自感知鋼絞線，試件加載參數(shù)見表1。

試驗(yàn)在張拉臺座上進(jìn)行，通過解調(diào)儀對光纖光柵傳感器的波長變化進(jìn)行監(jiān)控，解調(diào)儀波長測量范圍為1 525～1 570 nm，采樣頻率為1 Hz，波長精度為2.5 pm，分辨率為1 pm，試驗(yàn)裝置如圖2所示。加載方式為恒幅應(yīng)力循環(huán)正弦加載，利用千分表記錄不同應(yīng)力幅及循環(huán)次數(shù)下的鋼絞線應(yīng)變。試件安裝完畢后，從初始狀態(tài)開始按每級10 kN進(jìn)行加載，加載速度不大于100 MPa/min；加載至應(yīng)力幅上限，持荷2 min后記錄解調(diào)儀及千分表讀數(shù)；逐級卸載至應(yīng)力幅下限，卸載速度不大于100 MPa/min，持荷2 min后記錄相應(yīng)讀數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行50次或200次重復(fù)加卸載過程。循環(huán)加載結(jié)束后對內(nèi)嵌式自感知鋼絞線進(jìn)行極限張拉力的測試，記錄光纖光柵傳感器能跟隨自感知鋼絞線的最大波長及千分表讀數(shù)。

表1 試件加載參數(shù)

圖2 試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

光纖布拉格光柵的中心波長與光柵折射率有關(guān)，當(dāng)光波傳輸通過FBG時，滿足布拉格光柵波長條件的光波將被反射回來。根據(jù)光譜特性可知，光纖光柵的中心波長為

式中：neff為光柵有效折射率；Λ為光柵周期。

當(dāng)光柵外界環(huán)境物理量改變時，光柵周期隨之改變，同時光彈效應(yīng)會改變光柵有效折射率。當(dāng)光纖只受軸力作用時，其光柵中心波長變化與應(yīng)變的關(guān)系［24-26］為

式中：?λ為波長的變化值；Kε為光纖光柵應(yīng)變靈敏度；εg為光纖光柵感知應(yīng)變。

2.1 自感知鋼絞線低周期試驗(yàn)應(yīng)變變化曲線

試件B?03和試件D?03為中心絲持荷值0.3Pb的自感知鋼絞線，在1 302 MPa應(yīng)力幅狀態(tài)下進(jìn)行循環(huán)荷載試驗(yàn)，試件B?03進(jìn)行50次循環(huán)，試件D?03進(jìn)行200次循環(huán)。試件應(yīng)變-循環(huán)曲線見圖3。

圖3 試件應(yīng)變-循環(huán)曲線

由圖3可知：試件經(jīng)過50次循環(huán)周期后應(yīng)變隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小，應(yīng)變-循環(huán)曲線呈下降趨勢；在經(jīng)過150次循環(huán)周期后，應(yīng)變-循環(huán)曲線下降的趨勢減緩；當(dāng)?shù)竭_(dá)200次循環(huán)周期后應(yīng)變-循環(huán)曲線慢慢趨于平穩(wěn)。

通過對比千分表記錄的鋼絞線實(shí)際應(yīng)變，以及按式（2）和式（3）計(jì)算得到的監(jiān)測應(yīng)變，檢測在低周期高應(yīng)力幅疲勞狀態(tài)下自感知鋼絞線的重復(fù)性能。試件B?04和試件D?04為中心絲持荷值0.4Pb的自感知鋼絞線，在1 302 MPa應(yīng)力幅狀態(tài)下進(jìn)行循環(huán)荷載試驗(yàn)，試件B?04進(jìn)行50次循環(huán)，試件D?05進(jìn)行200次循環(huán)。試件應(yīng)變曲線對比見圖4。

圖4 試件應(yīng)變曲線對比

由圖4可知，監(jiān)測應(yīng)變曲線與實(shí)測應(yīng)變曲線都呈現(xiàn)出良好的線性。經(jīng)過50次循環(huán)周期后的監(jiān)測應(yīng)變約為6 500×10-6，經(jīng)過200次循環(huán)周期后的監(jiān)測應(yīng)變約為6 200×10-6，均與實(shí)測值接近，二者平均誤差在3%左右，在誤差最大處監(jiān)測值與實(shí)測值的偏差為4.8%，在合理的誤差范圍內(nèi)。說明內(nèi)嵌式封裝技術(shù)的黏結(jié)材料和封裝工藝對應(yīng)變傳遞產(chǎn)生的影響較小，黏結(jié)光纖光柵傳感器所用的高分子膠粘劑既能有效地保證光纖光柵黏結(jié)牢固，又能使光纖光柵與鋼絞線在高應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生協(xié)同應(yīng)變，體現(xiàn)了內(nèi)嵌式自感知鋼絞線的可靠性。

2.2 中心絲持荷值與自感知鋼絞線波長變化關(guān)系

對比試件D?03和試件D?04的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析在應(yīng)力幅為1 302 MPa、循環(huán)次數(shù)為200次的恒幅應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)下，中心絲持荷值在低周期作用下對自感知鋼絞線的影響。試件波長變化曲線見圖5?？芍?，中心絲持荷0.3Pb和0.4Pb的自感知鋼絞線進(jìn)行低周期循環(huán)試驗(yàn)時，其張拉力上限波長分別變化了0.603，0.713nm，下限張拉力波長分別變化了1.024，1.027 nm。對比發(fā)現(xiàn)2種不同的中心絲持荷值在200次低周期高應(yīng)力幅循環(huán)狀態(tài)下均有較好的穩(wěn)定性，中心絲持荷值對自感知鋼絞線波長變化的影響不明顯。

圖5 試件波長變化曲線

2.3 自感知鋼絞線低周期疲勞性能分析

在經(jīng)過200次循環(huán)周期張拉試驗(yàn)后，分別對鋼絞線進(jìn)行極限張拉力的測試試驗(yàn)，加載方案遵循靜拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，以D?03組和D?04組為例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果見下一頁的表2。

由表2可知：

1）對于D?03組試件，其極限總波長平均值為14.82 nm，所能跟蹤監(jiān)測鋼絞線的應(yīng)變平均值12 354×10-6，所能跟蹤監(jiān)測的張拉力與鋼絞線極限張拉力之比約為0.95，監(jiān)測量程顯著提高，且循環(huán)后依然能滿足對鋼絞線全生命周期的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。

2）對于D?04組試件，其極限總波長平均值為14.79 nm，所能跟蹤監(jiān)測鋼絞線的應(yīng)變平均值13 775×10-6，所能跟蹤監(jiān)測的張拉力與鋼絞線極限張拉力之比約為0.95，且其監(jiān)測量程相比D?03組試件更好，約提升了12%。

2組試件在循環(huán)拉伸試驗(yàn)后均進(jìn)行了靜力拉伸試驗(yàn)，其中D?03組試件極限張拉力平均值為270.7 kN，D?04組試件極限張拉力平均值為272.7 kN，均滿足GB/T 5224—2014中規(guī)定的最小張拉應(yīng)力不低于92%fpm（fpm為鋼絞線實(shí)測極限抗拉強(qiáng)度平均值）或95%fptk（取兩者中的較大者）的要求，證明了內(nèi)嵌式自感知鋼絞線在低周期循環(huán)疲勞環(huán)境下其力學(xué)性能的可靠性。

內(nèi)嵌式自感知鋼絞線在荷載循環(huán)作用后的張拉應(yīng)力高于公稱鋼絞線張拉力，監(jiān)測量程也高于鋼絞線的屈服強(qiáng)度，且其重復(fù)性好，線性度高，精度高，適用于實(shí)時監(jiān)測預(yù)應(yīng)力或橋梁結(jié)構(gòu)中受力狀態(tài)。地震的持續(xù)時間一般在1 min以內(nèi)，頻率在2 Hz左右，如唐山地震持續(xù)23 s，日本阪神地震持續(xù)20 s，美國EI Centro地震持續(xù)10 s［27-28］。根據(jù)地震的頻率和持續(xù)時間可知，大約100個周期是結(jié)構(gòu)最容易發(fā)生破壞的時期。通過對自感知鋼絞線進(jìn)行高應(yīng)力幅低周期循環(huán)拉伸試驗(yàn)，證明了采用內(nèi)嵌式封裝技術(shù)能有效地保證傳感器的存活率，可最大限度地監(jiān)測鋼絞線全生命周期的受力狀態(tài)。

表2 疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

1）內(nèi)嵌式自感知鋼絞線的應(yīng)變，在循環(huán)次數(shù)較少時，變化較大且呈下降趨勢；在經(jīng)過一定的循環(huán)周期后，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，其應(yīng)變變化開始趨于平緩；當(dāng)經(jīng)過200個循環(huán)周期后，自感知鋼絞線的等幅應(yīng)變基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2）內(nèi)嵌式自感知鋼絞線通過波長推算出的應(yīng)變與實(shí)測應(yīng)變較為接近，兩者平均誤差在3%左右，在合理的誤差范圍之內(nèi)，具有良好的可靠性。

3）內(nèi)嵌式自感知鋼絞線可以有效地監(jiān)測鋼絞線自身的受力情況，經(jīng)歷200個周期循環(huán)荷載后，具有良好的線性度和重復(fù)性，監(jiān)測量程超過鋼絞線屈服應(yīng)力，能夠?qū)崿F(xiàn)對鋼絞線全生命周期的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。

4）凹槽封裝光纖光柵能有效提高傳感器的成活率且對鋼絞線的力學(xué)性能影響很小。光纖光柵傳感器對鋼絞線在高應(yīng)力幅狀態(tài)下仍可保持可靠的監(jiān)測性能，是一種有效的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，有著廣闊的市場發(fā)展前景。