船閘結(jié)構(gòu)施工過程光纖監(jiān)測應(yīng)用

夏猛 中設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司

船閘工程對于施工質(zhì)量的要求相對較高，由于其多為大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘首底板大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的抗拉能力相對較差，當(dāng)受到溫度條件的影響以后，極易出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)裂縫，對整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極為不利的影響。因此，為了保障船閘結(jié)構(gòu)符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，在工程建設(shè)施工的過程中，施工企業(yè)必須要充分應(yīng)用光纖技術(shù)來進(jìn)行施工監(jiān)測，充分發(fā)揮光纖監(jiān)測在施工質(zhì)量控制方面的作用，提高船閘結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。

1.光纖感測技術(shù)原理

在船閘結(jié)構(gòu)工程施工時，光纖感測技術(shù)是一種有效的監(jiān)測技術(shù)，此技術(shù)的應(yīng)用可以為施工質(zhì)量控制提供良好的技術(shù)支持。一般情況下，最為常用的就是BOTDA、ROTDR、FBG幾種，在實際的應(yīng)用過程中，這些不同的感測技術(shù)存在不同的技術(shù)原理與應(yīng)用條件，為發(fā)揮其不同光纖監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢，在船閘結(jié)構(gòu)施工的過程中，需要結(jié)合其具體的結(jié)構(gòu)特征、現(xiàn)場環(huán)境條件，選擇最佳的光纖感測技術(shù)，獲得更為精確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。BOTDA技術(shù)對船閘結(jié)構(gòu)工程的施工監(jiān)測原理是受激布里淵散射，在此散射作用下，各種參數(shù)在此過程中存在著一定的相關(guān)性，比如，頻率變化量、光纖軸向應(yīng)變與環(huán)境溫度，通過這些量之間的聯(lián)系可以有效實現(xiàn)傳感，進(jìn)而達(dá)到良好的監(jiān)測效果。

表1 解調(diào)儀主要性能的對比

ROTDR測溫技術(shù)同樣是船閘結(jié)構(gòu)工程施工中的一種關(guān)鍵監(jiān)測技術(shù)，此技術(shù)的應(yīng)用過程中，將光脈沖信號照射到纖芯，當(dāng)光纖接收到此信號以后，光子與光聲子之間會發(fā)生明顯的非彈性碰撞作用，而此作用的出現(xiàn)必然伴隨著拉曼散射。作為一種特殊的散射作用，此散射光中為反斯托克斯光、斯托克斯光，前者的頻率相對較高，而后者的頻率要略微低些。在散射原理出現(xiàn)的瞬時時間段內(nèi)，斯托克斯光與反斯托克斯光之間的強(qiáng)度比、溫度之間息息相關(guān)，當(dāng)溫度出現(xiàn)明顯的變化時，二者的強(qiáng)度比同樣會呈現(xiàn)出線性變化。通過對這種關(guān)系的掌握，使得相關(guān)人員可以利用此種監(jiān)測技術(shù)來活動相應(yīng)的溫度信息，進(jìn)而進(jìn)行施工質(zhì)量的監(jiān)測與評估。

FBG監(jiān)測技術(shù)是一種相對特殊的監(jiān)測技術(shù)，其特殊性主要體現(xiàn)在其波長選擇性方面，而這一特性、技術(shù)應(yīng)用使得其能夠與布喇格衍射條件下入射光在FBG處被耦合反射的要求保持一致，在光的反射過程中，F(xiàn)BG中心波長處，反射光譜處于峰值狀態(tài)下，這一變化特征使得隨著光的反射作用的出現(xiàn)，應(yīng)變、溫度變化量、反射光中心波長的位移量之間存在著緊密的聯(lián)系，當(dāng)其中一個量發(fā)生變化時，其余的兩個量也會隨之發(fā)生同步的變化，此監(jiān)測技術(shù)下的監(jiān)測對象為反射光中心波長位移。

三種光纖感測技術(shù)下，所對應(yīng)的解調(diào)儀性能對比如表1所示。

2.工程概況及監(jiān)測方案

以某船閘結(jié)構(gòu)工程為例，此工程采用雙線230m×23m×4.0m，上、下閘首對齊布置，兩閘中心的距離保持60m。閘首、閘室為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，要滿足施工的要求，需保持鋼筋混凝土良好的抗震性與足夠的剛度。在本工程的施工過程中，主要是對溫度、應(yīng)變與裂縫的監(jiān)測，其監(jiān)測方案如下：

2.1 混凝土水熱化溫度監(jiān)測

在此船閘結(jié)構(gòu)工程中，由于閘首底板結(jié)構(gòu)的尺寸相對較大，為達(dá)到良好的施工效果，在整個的混凝土澆筑過程中采用的是分塊澆筑的原則。在此情況下，經(jīng)過綜合對比，選用的是TOTDR與FBG相結(jié)合的監(jiān)測技術(shù)，監(jiān)測對象為底板混凝土水熱化溫度，為保障監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，在監(jiān)測時，分布式測溫傳感光纖采用的是U字型回路，將其布設(shè)于底板中部的位置，盡量保持U字型之間的距離在3m左右，將其安裝于距離表層1.5m的位置，監(jiān)測在底板混凝土水熱化現(xiàn)象出現(xiàn)時溫度的變化趨勢；FBG光纖感測技術(shù)下，需將溫度計與結(jié)構(gòu)上表層與下表層的鋼筋加以綁扎，在施工過程中，由溫度計來實時反饋相應(yīng)的溫度信息。底板結(jié)構(gòu)中，需進(jìn)行后澆帶的設(shè)置，其布置如圖1所示。

2.2 鋼筋與混凝土應(yīng)變監(jiān)測

在應(yīng)變監(jiān)測的過程中，主要利用的是BOTDA技術(shù)，在具體的監(jiān)測過程中，需將分布式纖維加強(qiáng)筋光纖安裝在結(jié)構(gòu)的特定位置，由其來進(jìn)行底板上表層混凝土、下表層混凝土在閘首施工過程中的應(yīng)變。在鋼筋的應(yīng)變監(jiān)測過程中，需采用FBG鋼筋應(yīng)力計來進(jìn)行監(jiān)測，應(yīng)變傳感光纖、鋼筋應(yīng)力計的安裝時，需保持其與船閘的垂直性。

2.3 混凝土裂縫監(jiān)測

由于船閘工程所處的環(huán)境條件相對特殊，在整個的施工過程中，水環(huán)境會對整體結(jié)構(gòu)存在一定的影響，尤其是閘首輸水廊道上導(dǎo)角位置混凝土?xí)艿缴喜康暮奢d作用力、水流沖刷的影響，一旦這些作用力超過了混凝土本身可以承受的范圍，極易出現(xiàn)混凝土裂縫。

3.監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 混凝土水化熱監(jiān)測

圖1 閘首結(jié)構(gòu)及傳感器布設(shè)

根據(jù)相應(yīng)的施工監(jiān)測結(jié)果，由于閘首底板中間板塊在施工時采用的是分層澆筑工藝，當(dāng)混凝土澆筑作業(yè)完成128h以后，中底板混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到了最高值，閘首底板混凝土內(nèi)部溫度存在著明顯的變化。以某一底板來分析，溫度最高值出現(xiàn)在混凝土澆筑后的128h時間段內(nèi)，溫度峰值區(qū)域位于澆筑結(jié)構(gòu)的中心區(qū)；在整個的施工作業(yè)過程中，施工區(qū)域內(nèi)的氣溫條件、氣候情況會混凝土水熱化的熱量釋放有著一定的影響；混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的變化與水熱化的熱量釋放存在著緊密的聯(lián)系，由于熱量釋放存在階段性變化特征，使得混凝土內(nèi)部的溫度也存在這一變化。

3.2 混凝土應(yīng)變監(jiān)測

在混凝土應(yīng)變監(jiān)測的過程中，采用的是BODTA技術(shù)，根據(jù)相應(yīng)的監(jiān)測結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)在閘首底板混凝土澆筑完成以后，混凝土呈現(xiàn)出拉應(yīng)變分布的狀態(tài)，當(dāng)混凝土處于凝固狀態(tài)時，或多或少地會受到水熱化反應(yīng)的影響，此時，混凝土結(jié)構(gòu)上表層的最大應(yīng)變在22με，兩邊底板上澆筑輸水廊道與上部空箱，左右底板會受到荷載作用力的影響，這種受力情況下，底板上表層中間位置的拉應(yīng)變最大，而下表層的拉應(yīng)變稍微小于上表層。中底板由于存在后澆帶的設(shè)置，使得其在結(jié)構(gòu)中起到了重要的隔離與保護(hù)作用，邊墩荷載不會對其產(chǎn)生任何的影響。

3.3 鋼筋應(yīng)變監(jiān)測

在鋼筋的應(yīng)變監(jiān)測過程中，為保障監(jiān)測結(jié)果的有效性與準(zhǔn)確性，在監(jiān)測時需將閘首底板鋼筋應(yīng)力計與主筋串聯(lián)焊接。根據(jù)相應(yīng)的監(jiān)測結(jié)果分析，當(dāng)混凝土處于固化條件下時，底板中鋼筋會受到一定的拉力作用，在拉力作用下，底板表面鋼筋的拉應(yīng)變現(xiàn)象明顯，應(yīng)變值較大，而下表面的應(yīng)變值相對較小，大約在60με。為達(dá)到良好的施工效果，施工人員在整體混凝土施工作業(yè)結(jié)束以后，往往需進(jìn)行一段時間的養(yǎng)護(hù)，以保持良好的混凝土性能，在混凝土的養(yǎng)護(hù)施工階段，雖然鋼筋對底板存在連續(xù)的作用，但是，在混凝土結(jié)構(gòu)成型的過程中，應(yīng)力松弛現(xiàn)象并未出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得以保持。

4.結(jié)束語

近年來，隨著船閘結(jié)構(gòu)工程項目的增多，在此類工程的質(zhì)量控制過程中，人們越來越傾向于采用光纖監(jiān)測技術(shù)來進(jìn)行工程質(zhì)量問題的監(jiān)測，以提高質(zhì)量監(jiān)測的準(zhǔn)確性，保障船閘施工作業(yè)的順利進(jìn)行，達(dá)到良好的質(zhì)量控制目標(biāo)。