新型光纖光柵測(cè)量法在系桿拱橋索力監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

李紅明,張曉鋒,唐 軍,顧 盛,巫亞明

(1.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212005) (2.昆山建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心, 昆山 215009) (3.江蘇省交通工程集團(tuán)公司, 鎮(zhèn)江 212005)

拉索作為系桿拱橋的主要承重結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)體系的成形、內(nèi)力分布、荷載、失效乃至索結(jié)構(gòu)整體安全都會(huì)集中表現(xiàn)在索力上[1-2]．由于缺乏有效的拉索狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段,一旦個(gè)別索發(fā)生斷裂,將嚴(yán)重影響橋梁的正常運(yùn)行[3]．基于安全考慮,整橋的拉索都需重新進(jìn)行張拉,這一過程影響了居民的正常出行,同時(shí)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失．

光纖光柵傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):重量輕、靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾、重復(fù)性好、精確度高、易于構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò),在預(yù)應(yīng)力橋梁的索力監(jiān)測(cè)中已有相關(guān)應(yīng)用．文獻(xiàn)[4-6]在纜索制造過程中將應(yīng)變傳感器和溫度傳感器埋植到纜索內(nèi)部,制成可對(duì)自身索力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的智能索．文獻(xiàn)[7]將光纖光柵分別布設(shè)于拉索護(hù)欄的索端錨頭刻槽內(nèi)和拉索鋼絲表面,基于光纖光柵測(cè)量應(yīng)變變化的準(zhǔn)確性,深入探討了拉索錨頭與拉索的受力關(guān)系．文獻(xiàn)[8]提出了雙側(cè)錨頭布設(shè)光纖光柵傳感器進(jìn)行索力監(jiān)測(cè)的方案,并利用該測(cè)量法對(duì)大跨結(jié)構(gòu)樂清體育場(chǎng)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè),驗(yàn)證了該方法的可行性．

文中基于光纖光柵基座夾具體內(nèi)測(cè)試法可靠性試驗(yàn)的研究結(jié)論[9],針對(duì)連云港龍苴大橋拉索張拉工程,利用光纖光柵基座夾具測(cè)量法監(jiān)測(cè)吊桿在張拉施工階段的索力．通過將張拉裝置的顯示值與加載節(jié)點(diǎn)結(jié)束時(shí)光纖光柵的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?各觀測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向?qū)Ρ?分析了光纖光柵基座夾具測(cè)量法的可靠性及預(yù)應(yīng)力損失對(duì)吊桿索力的影響,驗(yàn)證光纖光柵基座夾具測(cè)量法可為系桿拱橋的安全監(jiān)測(cè)起到重要的補(bǔ)充及改進(jìn)作用．

1 光纖光柵監(jiān)測(cè)裝置

龍苴大橋位于連云港灌云縣龍苴鎮(zhèn)古城村,路線在K0+621.35處跨越古泊河,路線大致呈南北走向．拱橋?yàn)?×(5×20 m)+64 m+2×(5×20 m)的三跨梁組合結(jié)構(gòu),主橋采用計(jì)算跨徑為62 m下承式鋼筋混凝土系桿拱橋(圖1)．拱吊桿布置在拱肋平面內(nèi),單片拱肋縱向設(shè)13根吊桿,吊桿間距為4.5 m．吊桿鋼索采用PES(FD)7-37雙護(hù)層平行鋼絲索成品索,每根吊桿由37根φ7 mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成,鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 670 MPa．

圖1 龍苴大橋立面Fig.1 Longju bridge elevation

根據(jù)系桿拱橋跨中吊桿變形最大,兩端吊桿變形最小的理論,試驗(yàn)選取1號(hào)吊桿和7號(hào)吊桿作為索力監(jiān)測(cè)對(duì)象,如圖2．利用光纖光柵基座夾具測(cè)量法對(duì)該系桿拱橋吊桿張拉施工的全過程進(jìn)行索力監(jiān)測(cè),保證工程的安全性．

圖2 龍苴大橋吊桿監(jiān)測(cè)位置Fig.2 Longju bridge boom monitoring location layout

光纖光柵應(yīng)力和溫度傳感器采用不銹鋼管封裝,底座根據(jù)龍苴大橋吊索單絲尺寸設(shè)計(jì),可以完全貼合φ7鋼絲．傳感器設(shè)計(jì)采用減敏結(jié)構(gòu)(減敏系數(shù)為2.2)可使光纖光柵傳感器的測(cè)量范圍達(dá)到1 500 kN,滿足龍苴大橋吊索的測(cè)試要求．同時(shí),傳感器在生產(chǎn)過程中均進(jìn)行預(yù)張拉處理,保證傳感器即使在較低荷載級(jí)別也能測(cè)量索力的變化．傳感器的具體技術(shù)參數(shù)如表1、2.

表1 光纖光柵應(yīng)力傳感器技術(shù)參數(shù)Table 1 Fiber grating stress sensor technical parameters

表2 光纖光柵溫度傳感器技術(shù)參數(shù)Table 2 Fiber grating temperature sensor technicalparameters

為防止冷固化時(shí)樹脂流入鋼管影響光纖光柵,用密封膠將傳感器鋼管間隙密封[10]．為防止光纖光柵溫度傳感器受力,使用結(jié)構(gòu)膠與扎帶將其固定于鋼絲表面．光纖光柵應(yīng)力與溫度傳感器安裝于吊索與錨杯間的連接筒a內(nèi),安裝位置如圖3．其中,兩個(gè)應(yīng)力傳感器安裝于吊索截面兩端,溫度傳感器安裝于截面45°角位置．

1-1連接筒a剖面圖圖3 傳感器安裝位置Fig.3 Sensor installation location

光纖布拉格光柵是光纖纖芯折射率沿光纖軸向呈周期性變化的一種光柵,其通過對(duì)由外界擾動(dòng)引起的布拉格光柵中心波長(zhǎng)漂移量的測(cè)量[11-12],得到被測(cè)參數(shù)．

無應(yīng)力條件下,當(dāng)溫度變化為ΔT時(shí),將引起布拉格波長(zhǎng)λB產(chǎn)生移動(dòng)Δλ,可以表示為:

(1)

式中：α為光纖的熱膨脹系數(shù);ξ為光纖的光熱系數(shù),表示折射率隨溫度的變化率;KT為布拉格光柵的溫度系數(shù)．

恒溫條件下,由軸向應(yīng)變?chǔ)乓鸬南鄳?yīng)波長(zhǎng)λB變化量Δλ，其滿足:

(2)

式中：Pe為有效光彈系數(shù)．

由式(1)和式(2)可知,光纖布拉格光柵波長(zhǎng)λB的漂移與溫度變化ΔT、軸向應(yīng)變?chǔ)懦示€性關(guān)系．當(dāng)溫度和應(yīng)變同時(shí)發(fā)生變化時(shí),忽略溫度與應(yīng)變之間的交叉敏感,則:

(3)

由此可知,只要測(cè)出布拉格波長(zhǎng)λB的變化Δλ，就可以得到外界的應(yīng)變或溫度擾動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與溫度和應(yīng)變有關(guān)的其他參數(shù)的間接測(cè)量[13-14]．

新開發(fā)的光纖光柵基座夾具測(cè)量法,光纖光柵應(yīng)變傳感器不再直接附著在索上,而是首先通過夾具使基座與拉索固定,然后通過測(cè)定基座之間拉索應(yīng)變推算出索力變化值,具體裝置如圖4.

圖4 索力測(cè)量裝置Fig.4 Cable force measuring device

2 試驗(yàn)標(biāo)定

2.1 傳感器標(biāo)定方案

將光纖光柵傳感器安裝于待測(cè)吊索,利用油壓拉力測(cè)試機(jī)對(duì)吊索進(jìn)行拉伸,測(cè)試傳感器波長(zhǎng)的變化．

張拉標(biāo)定過程按照鋼絲超張拉的要求,對(duì)傳感器進(jìn)行了檢測(cè)和標(biāo)定．超張拉的載荷為吊索公稱破斷力的70%,最大載荷為1 350 kN．傳感器張拉標(biāo)定分為兩個(gè)循環(huán)過程,每個(gè)循環(huán)分為加載、卸載兩步,每個(gè)步驟拉伸分為10級(jí),分別為155、250、405、505、655、805、950、1 100、1 200、1 350 kN．

拉伸標(biāo)定過程中,拉力每達(dá)到一級(jí),等待1～2 min至拉力逐漸趨于穩(wěn)定后記錄具體的拉力值與對(duì)應(yīng)傳感器波長(zhǎng)值．

2.2 監(jiān)測(cè)方案

吊桿拉索金屬截面積為1 423.927 mm2,彈性模量為1.95×105N/mm2,由36根直徑為7 mm的細(xì)鋼絲組成．經(jīng)吊索的張拉優(yōu)化,在環(huán)境溫度23℃條件下,1號(hào)吊索預(yù)拉力設(shè)計(jì)值為800 kN,7號(hào)吊索預(yù)拉力設(shè)計(jì)值為500 kN．索分三階段進(jìn)行張拉,第一階段張拉至預(yù)拉力設(shè)計(jì)值的50%,第二階段張拉至預(yù)拉力設(shè)計(jì)值的75%,第三階段張拉至預(yù)拉力設(shè)計(jì)值．

利用光纖光柵應(yīng)變、溫度傳感器及光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)儀對(duì)拉索張拉施工階段進(jìn)行索力監(jiān)測(cè)．對(duì)吊桿張拉施工階段的全過程進(jìn)行索力監(jiān)測(cè),第一、第二階段張拉施工為一次性張拉,在張拉結(jié)束后測(cè)量索力;第三階段采用分級(jí)加載,在加載后進(jìn)行索力測(cè)量,即每加載1 MPa(約30 kN)監(jiān)測(cè)一次索力,直至索力達(dá)到24 MPa．在張拉前讀取內(nèi)置的光纖光柵應(yīng)變、溫度傳感器并記錄初始波長(zhǎng),此時(shí)為第1個(gè)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)(0號(hào)觀測(cè)點(diǎn)),索力監(jiān)測(cè)方案如表3．

表3 索力監(jiān)測(cè)方案Table 3 Cable force monitoring program

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)

傳感器標(biāo)定過程中,每根索耗費(fèi)的時(shí)間控制在1 h內(nèi),溫度變化小于2 ℃．溫度對(duì)應(yīng)變傳感器的波長(zhǎng)影響可以忽略,故數(shù)據(jù)記錄表中不再給出張拉過程中溫度傳感器的波長(zhǎng)值．1號(hào)、7號(hào)索各安裝2個(gè)傳感器,3次加載、卸載所得4個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器的荷載-波長(zhǎng)曲線如圖5、6.

圖5 1號(hào)索傳感器荷載-波長(zhǎng)曲線Fig.5 1#cable sensor load-wavelength curve

圖6 7號(hào)索傳感器荷載-波長(zhǎng)曲線Fig.6 7#cable sensor load-wavelength curve

3.2 傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)分析

根據(jù)光纖光柵應(yīng)力傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù),得到傳感器荷載-波長(zhǎng)擬合公式、力敏系數(shù)、線性以及重復(fù)性參數(shù)(表4)．其中線性及重復(fù)性計(jì)算方法如下:

(4)

Yi=Y0+KLi

(5)

(6)

(7)

YFS=YM-YN

(8)

(9)

表4 光纖光柵傳感器性能統(tǒng)計(jì)表Table 4 Fiber grating sensor performance statistics

傳感器在整個(gè)標(biāo)定過程中,線性均大于99.9%,重復(fù)性均小于0.7%,能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)要求．

標(biāo)定試驗(yàn)中,光纖光柵應(yīng)力傳感器和光纖光柵溫度傳感器無損壞、漂移現(xiàn)象,傳感器存活率達(dá)到100%．其中4個(gè)光纖光柵應(yīng)力傳感器的標(biāo)定效果良好,線性以及重復(fù)性均滿足使用要求．

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

傳感器在吊索出廠前已完成內(nèi)置安裝工作,現(xiàn)場(chǎng)將信號(hào)線引出并保護(hù)．傳感器安裝于吊索連接筒內(nèi),信號(hào)線一端連接傳感器,一端穿過錨杯引至吊索外部,如圖7．出廠時(shí),信號(hào)線均預(yù)留50 cm并放置在蓋板內(nèi)部,現(xiàn)場(chǎng)取出后分別熔接10 m信號(hào)線,并引至橋面測(cè)試．熔接點(diǎn)用熱縮套管保護(hù),熔接過程中熔接損耗小于0.02 db,如圖8,1號(hào)索索力監(jiān)測(cè)如圖9．

圖7 預(yù)留信號(hào)線Fig.7 Reserved signal line

圖8 熔接信號(hào)線Fig.8 Welding signal line

圖9 1號(hào)索索力監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)Fig.9 1# cable force monitoring site

將信號(hào)線從錨杯引至橋面,1號(hào)、7號(hào)索信號(hào)線保護(hù)完好,6根信號(hào)線均引至橋面,傳感器信號(hào)良好．

4.1 1號(hào)索監(jiān)測(cè)結(jié)果

1號(hào)索測(cè)試過程中,測(cè)試張拉級(jí)別從0～24 MPa分為9級(jí),測(cè)試時(shí)間為5 min,期間溫度傳感器波長(zhǎng)變化小于3 pm,對(duì)應(yīng)力傳感器基本沒有影響,因此無需考慮溫度補(bǔ)償．1號(hào)索傳感器測(cè)試前波長(zhǎng)如表5.

表5 1號(hào)索傳感器初始數(shù)據(jù)Table 5 1# cable sensor initial data

張拉過程中傳感器對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)具體數(shù)據(jù)如表6、7.

表6 1號(hào)索1號(hào)應(yīng)力傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)Table 6 1#cable 1# strain sensor test data

表7 1號(hào)索2號(hào)應(yīng)力傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)Table 7 1#cable 2# strain sensor test data

根據(jù)表6、7的監(jiān)測(cè)結(jié)果,得到1號(hào)吊索索力值對(duì)比圖與索力增量對(duì)比圖,如圖10、11．

圖10 1號(hào)索索力值對(duì)比圖Fig.10 1# cable force comparison charte

圖11 1號(hào)索索力增量對(duì)比圖Fig.11 1# cable increase comparison chart

如圖10、11,在1號(hào)索張拉前,油壓千斤頂未施加荷載時(shí),1號(hào)、2號(hào)應(yīng)力傳感器已有索力值增量．結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況,此初始應(yīng)變是吊索在運(yùn)輸安裝過程中,由于索體翻轉(zhuǎn)、盤卷及吊掛,鋼絲受力變形對(duì)拉索初始波長(zhǎng)產(chǎn)生的影響．另從圖中得出,1號(hào)傳感器與2號(hào)傳感器的實(shí)測(cè)索力值和索力值增量對(duì)比線性良好,說明1號(hào)索中兩應(yīng)變傳感器并沒有在運(yùn)輸、安裝過程中受到損壞,處于高效的監(jiān)測(cè)效率．兩傳感器圖中路徑基本一致,可以確定吊索索力實(shí)際變化量．

實(shí)測(cè)時(shí)因油壓千斤頂無法穩(wěn)壓,在油壓表顯示強(qiáng)度后立即記錄當(dāng)前傳感器波長(zhǎng)值,存在一定誤差．如圖10、11,張拉第二階段與第三階段,傳感器實(shí)測(cè)索力值與索力增量均略微大于油壓千斤頂?shù)膶?shí)際加載量與加載增量,索力值最大誤差達(dá)4.7%,處于工程誤差范圍內(nèi)．索力增量除第二階段最大誤差為43.3 kN,超出誤差范圍;第三階段誤差均無較大浮動(dòng),在7 kN左右,處于誤差范圍內(nèi)．如圖11,在節(jié)點(diǎn)8處,油壓千斤頂已卸載,外荷載為0．在錨頭錨固后,發(fā)生預(yù)應(yīng)力損失,傳感器實(shí)測(cè)力值明顯下滑,下降約145 kN．

4.2 7號(hào)索監(jiān)測(cè)結(jié)果

7號(hào)索測(cè)試過程中,測(cè)試張拉級(jí)別從0～16 MPa分為8級(jí),與1號(hào)索一致,測(cè)試時(shí)間為5 min,期間溫度傳感器波長(zhǎng)變化小于3 pm,對(duì)應(yīng)力傳感器基本沒有影響,因此無需考慮溫度補(bǔ)償．7號(hào)索傳感器測(cè)試前波長(zhǎng)如表8.

表8 7號(hào)索傳感器初始數(shù)據(jù)Table 8 7# cable sensor initial data

張拉過程中傳感器對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)具體數(shù)據(jù)如表9、10.

表9 7號(hào)索1號(hào)應(yīng)力傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)Table 9 7#cable 1# strain sensor test data

表10 7號(hào)索2號(hào)應(yīng)力傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)Table 10 7#cable 2# strain sensor test data

根據(jù)表9、10的監(jiān)測(cè)結(jié)果,分別得出7號(hào)吊索索力值對(duì)比圖與索力增量對(duì)比圖,如圖12、13．

圖12 7號(hào)索索力值對(duì)比圖Fig.12 7# cable force comparison chart

圖13 7號(hào)索索力增量對(duì)比圖Fig.13 7# cable increase comparison chart

由圖12、13,與1號(hào)索相同,油壓千斤頂未施加荷載的時(shí)候,1號(hào)、2號(hào)應(yīng)力傳感器已有索力值增量,此初始應(yīng)變也是吊索在運(yùn)輸安裝過程中,鋼絲受力變形對(duì)拉索初始波長(zhǎng)產(chǎn)生的影響．另從圖中得出,1號(hào)傳感器與2號(hào)傳感器的實(shí)測(cè)索力值和索力值增量對(duì)比線性良好,說明7號(hào)索中兩應(yīng)變傳感器并沒有在運(yùn)輸、安裝過程中受到損壞,處于高效的監(jiān)測(cè)效率．兩傳感器圖中路徑基本一致,可以確定吊索索力實(shí)際變化量．

實(shí)測(cè)時(shí)因油壓千斤頂無法穩(wěn)壓,在油壓表顯示強(qiáng)度后立刻記錄當(dāng)前傳感器波長(zhǎng)值,存在一定誤差．圖12、13,張拉第二階段與第三階段期間,傳感器實(shí)測(cè)索力值與索力增量均略微大于油壓千斤頂?shù)膶?shí)際加載量與加載增量,索力值最大誤差達(dá)5.6%,處于工程誤差范圍內(nèi)．索力增量除第二階段最大誤差為42.9 kN,超出誤差范圍;第三階段誤差均無較大浮動(dòng),在7 kN左右,處于誤差范圍內(nèi)．如圖13,在節(jié)點(diǎn)8處,錨頭錨固后,發(fā)生預(yù)應(yīng)力損失,傳感器實(shí)測(cè)力值明顯下滑,下降約95.3 kN．

4.3 誤差分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中,1號(hào)、7號(hào)索的傳感器測(cè)量值與實(shí)際值均有一定的誤差,這主要是由于:

(1) 現(xiàn)場(chǎng)油壓千斤頂在張拉過程中由于無法穩(wěn)壓存在一定誤差．

(2) 張拉設(shè)備只能顯示表觀的索力值,張拉過程中只可計(jì)算索力,無法計(jì)算吊索的索力損失．

(3) 在運(yùn)輸安裝過程中,由于索體翻轉(zhuǎn)、盤卷及吊掛,鋼絲受力變形對(duì)吊索初始波長(zhǎng)產(chǎn)生影響．

5 結(jié)論

(1) 通過對(duì)龍苴大橋吊索索力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析,驗(yàn)證了光纖光柵基座夾具測(cè)量法的應(yīng)用對(duì)新建的預(yù)應(yīng)力橋梁進(jìn)行索力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的可行性．

(2) 光纖光柵基座夾具體內(nèi)測(cè)量法既可以監(jiān)測(cè)實(shí)際張拉過程中的索力,也可以在張拉結(jié)束后進(jìn)行索力持續(xù)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)結(jié)果表明光纖光柵基座夾具測(cè)量法傳感器運(yùn)行穩(wěn)定,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,對(duì)系桿拱橋的安全監(jiān)測(cè)起到重要的補(bǔ)充及改進(jìn)作用．

(3) 在短期的監(jiān)測(cè)任務(wù)中,溫度傳感器波長(zhǎng)變化小于3 pm,因此無需考慮溫度變化對(duì)吊索索力的影響．

(4) 龍苴大橋索力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用,證明了該方法適用于系桿拱橋,可為以后的系桿拱橋索力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供案例參考．