基于OFDR的H型鋼梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究★

王 振，王建樂(lè)，馬谷劍，張昆橋，王任雅弘

(1.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430223；2.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；3.福建福清核電有限公司,福建 福清 350318；4.華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

鋼結(jié)構(gòu)由于鋼材具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、塑性和韌性好、安裝方便、施工期短等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還是理想的彈性材料，故鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍越來(lái)越廣[1]。目前，核電壓水堆安全殼結(jié)構(gòu)為保證其密封性，設(shè)置有鋼制襯里。美國(guó)西屋公司設(shè)計(jì)的AP1000核電機(jī)組采用非能動(dòng)設(shè)計(jì)，采用鋼制安全殼，將鋼制安全殼作為最終熱阱的換熱面[2]。為保障安全殼鋼制結(jié)構(gòu)的可靠性，掌握鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕情況與受力狀態(tài)，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)對(duì)于預(yù)防鋼結(jié)構(gòu)的病害十分重要。在土木工程領(lǐng)域，光纖智能健康監(jiān)測(cè)方法是對(duì)建筑物或構(gòu)筑物的健康狀況進(jìn)行檢測(cè)的一種新方法[3]。光纖傳感器在許多方面取得了發(fā)展，例如應(yīng)變、溫度、加速度、角度、裂縫等方面的測(cè)量[4]。其中基于瑞利散射光頻域反射(OFDR)技術(shù)由于其監(jiān)測(cè)范圍廣、空間分辨率高、監(jiān)測(cè)精度高，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。李豪杰、高磊、劉庭金通過(guò)試驗(yàn)研究驗(yàn)證了OFDR技術(shù)應(yīng)用于土體變形測(cè)量、鋼板應(yīng)變監(jiān)測(cè)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫探測(cè)中的可行性[5-7]。然而在鋼結(jié)構(gòu)中大范圍的分布式光纖健康監(jiān)測(cè)的研究還比較少。

為實(shí)現(xiàn)智慧核電的升級(jí)目標(biāo)，擬基于光纖傳感技術(shù)開(kāi)發(fā)安全殼全域應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)。為驗(yàn)證光纖傳感技術(shù)的可行性，針對(duì)材料屬性較均勻的鋼梁進(jìn)行了四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究，分別采用光纖光柵傳感器(FBG)、基于布里淵光頻域分析(BOFDA)技術(shù)和基于瑞利散射光頻域反射(OFDR)技術(shù)的分布式光纖傳感器進(jìn)行鋼梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)，探究光纖傳感器監(jiān)測(cè)應(yīng)變的可行性與準(zhǔn)確性，為后續(xù)安全殼的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)。

1 光纖傳感技術(shù)原理

分布式光纖感測(cè)技術(shù)基于光纖中的三種散射，分別為布里淵散射光、拉曼散射光和瑞利散射光[8-9]。

OFDR基于光纖背向瑞利散射的技術(shù)，基本原理圖如圖1所示，采用相關(guān)探測(cè)手段進(jìn)行信號(hào)處理。光源發(fā)出光經(jīng)耦合器后分為兩路，一路進(jìn)入待測(cè)光纖中，在光纖各位置上不斷地產(chǎn)生瑞利散射信號(hào)，信號(hào)光是背向反射的，與另一路參考光發(fā)生干涉，兩者產(chǎn)生拍頻信號(hào)被光電探測(cè)器檢測(cè)到，拍頻與待測(cè)光纖位置成正比。

當(dāng)待測(cè)光纖某一位置受溫度、壓力或應(yīng)變影響，此處光纖會(huì)產(chǎn)生瑞利散射頻移，如圖2所示。通過(guò)測(cè)量瑞利散射頻移量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某一位置的應(yīng)變和溫度測(cè)量以及整根光纖分布式測(cè)量。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)鋼梁進(jìn)行加載試驗(yàn)，采用分布式光纖傳感器等多種監(jiān)測(cè)元件測(cè)試鋼梁試驗(yàn)件的局部應(yīng)變，對(duì)比分析各監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)測(cè)試的準(zhǔn)確性。本試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)的Ⅰ14鍍鋅工字鋼，強(qiáng)度等級(jí)為Q235，尺寸為140 mm×80 mm×5.5 mm×2 000 mm。

試驗(yàn)采用液壓千斤頂，通過(guò)分配梁進(jìn)行四點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn)[10]，本試驗(yàn)為靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)梁支承方式為簡(jiǎn)支，鋼梁全長(zhǎng)2 000 mm，支座距離梁端100 mm，計(jì)算跨度為1 800 mm，兩點(diǎn)加載間距1 000 mm，如圖3所示。鋼梁加載設(shè)備為華中科技大學(xué)結(jié)構(gòu)大廳伺服壓力機(jī)。全程采取分級(jí)加載，試驗(yàn)前，預(yù)加載進(jìn)行3次，檢查儀器以及構(gòu)件加載是否正常，正式試驗(yàn)時(shí)，每級(jí)5 kN，加載至指定荷載后持荷4 min，期間進(jìn)行鋼梁應(yīng)變數(shù)據(jù)采集。鋼梁的應(yīng)變數(shù)據(jù)采集選用DH3816N靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試分析儀、德國(guó)FibrisTerre公司生產(chǎn)的基于BOFDA的FTB5020分布式光纖解調(diào)儀、武漢昊衡科技生產(chǎn)的基于OFDR技術(shù)的OSI分布式光纖解調(diào)儀。FTB 5020分布式光纖解調(diào)儀的最高空間分辨率為0.2 m，應(yīng)變測(cè)量精度可達(dá)到2 με，OSI分布式光纖解調(diào)儀，空間分辨率可達(dá)到0.001 m，應(yīng)變測(cè)量精度可達(dá)到1 με。

2.2 傳感器布設(shè)

本試驗(yàn)采用的監(jiān)測(cè)元件包括0.9 mm與2 mm聚氨酯緊護(hù)套光纖、應(yīng)變高傳遞復(fù)合分布式光纖、3aa電阻應(yīng)變片、FBG。測(cè)試內(nèi)容包括鋼梁應(yīng)變(腹板與翼緣)、撓度，監(jiān)測(cè)元件的布置信息見(jiàn)表1，示意圖如圖4所示。其中，1號(hào)、2號(hào)分布式光纖串聯(lián)，3號(hào)、4號(hào)分布式光纖串聯(lián)，15-1號(hào)、16-1號(hào)分布式光纖串聯(lián)，采用OSI分布式光纖解調(diào)儀(OFDR)采集數(shù)據(jù)，15-2號(hào)、16-2號(hào)分布式光纖串聯(lián)，采用FTB 5020分布式光纖解調(diào)儀(BOFDA)采集數(shù)據(jù)。應(yīng)變片布置于分布式光纖附近，用于與光纖傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比。

表1 監(jiān)測(cè)元件位置信息表

分布式傳感光纖、光纖光柵傳感器及應(yīng)變片均采用膠粘的方式布置在鋼梁表面，應(yīng)變片布設(shè)前對(duì)鋼梁進(jìn)行打磨與清理，采用3MDP系列環(huán)氧樹(shù)脂膠黏接。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由于鋼梁簡(jiǎn)支梁體積較大，很難精確掌握其基體應(yīng)變，故以電阻應(yīng)變片測(cè)量值作為基體應(yīng)變[11]，光纖測(cè)試數(shù)據(jù)與其對(duì)比。本試驗(yàn)中使用溫度變化法結(jié)合壓力變化法在試驗(yàn)前進(jìn)行分布式光纖指定測(cè)試點(diǎn)的定位，測(cè)量誤差小于5 mm，測(cè)點(diǎn)定位信息如表2所示。

表2 分布式光纖測(cè)試范圍定位信息

3.1 FBG應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果

17號(hào)～22號(hào)FBG傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)如圖5，圖6所示。6個(gè)FBG測(cè)試數(shù)據(jù)均隨著荷載增加呈線性變化，理論上相同高度處應(yīng)變值一致，實(shí)際加載至最大荷載時(shí)，受壓區(qū)傳感器差值最大為30 με，受拉區(qū)傳感器差值最大為70 με，監(jiān)測(cè)差距可能為傳感器布置位置未完全處于同一高度。

3.2 BOFDA應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果

15-2號(hào)、16-2號(hào)應(yīng)變高傳遞復(fù)合分布傳感光纖監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7，圖8所示。

3.3 OFDR應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果

對(duì)OSI-S解調(diào)儀采集數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，1號(hào)～4號(hào)、15-1號(hào)～16-1號(hào)分布式光纖在各級(jí)荷載下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖9～圖14所示。

3.4 應(yīng)變片監(jiān)測(cè)結(jié)果

應(yīng)變片測(cè)試結(jié)果與其他傳感器測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，測(cè)試結(jié)果如圖15所示。

3.5 結(jié)果分析

分布式光纖OFDR與FBG傳感器在鋼梁拉、壓區(qū)純彎段每級(jí)荷載的應(yīng)變測(cè)試曲線均呈線性增長(zhǎng)。在受壓區(qū)域，分布式光纖測(cè)試值高于FBG測(cè)試值，在受拉區(qū)，分布式光纖測(cè)試值低于FBG測(cè)試值。FBG隨荷載的變化，受拉區(qū)，線性變化率為16.4 με/(kN·m)；受壓區(qū)，線性變化率為-16.1 με/(kN·m)，拉、壓狀態(tài)線性變化率較為一致。

BOFDA與OFDR兩種解調(diào)儀測(cè)試數(shù)值差別不大，OSI-S解調(diào)儀測(cè)試數(shù)據(jù)表現(xiàn)出更好的線性，與理論結(jié)果較一致，鋼梁純彎段不同位置處FTB5020解調(diào)儀的測(cè)試數(shù)值的方差大于OSI-S解調(diào)儀測(cè)試數(shù)據(jù)。比較0.6 m內(nèi)純彎段的測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值，在500 με范圍內(nèi)，兩種解調(diào)儀測(cè)試數(shù)值的測(cè)試誤差小于10%。

比較分布式光纖OFDR與應(yīng)變片測(cè)試結(jié)果，分布光纖測(cè)量結(jié)果較應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)出在受拉區(qū)偏大，偏大約30%，在受壓區(qū)域偏小，偏小約30%。后期應(yīng)開(kāi)展標(biāo)定試驗(yàn)以確定不同粘貼工藝的光纖監(jiān)測(cè)應(yīng)變傳遞系數(shù)，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。分布式光纖隨荷載的變化，受拉區(qū)，線性變化率為19.1 με/(kN·m)；受壓區(qū)，線性變化率為-16.0 με/(kN·m)。應(yīng)變片隨荷載的變化規(guī)律為受拉區(qū)線性變化率為12.1 με/(kN·m)，受壓區(qū)線性變化率為-16.68 με/(kN·m)。兩類(lèi)傳感器拉、壓狀態(tài)線性變化率均存在不一致的情況。

4 有限元仿真分析

4.1 模型建立

使用ABAQUS有限元軟件建立Ⅰ14工字形鋼梁的實(shí)體模型，材料屬性為Q235，材料密度為7 850 kg/m3，彈性模量為205 GPa，泊松比為0.2。

全程采取分級(jí)加載，每個(gè)分析步加載5 kN，每個(gè)加載點(diǎn)累計(jì)加載從0 kN到35 kN。為了探究梁的純彎段應(yīng)變分布，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格C3D20R，為了方便得出不同位置節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)變值，網(wǎng)格密度沿梁高度與長(zhǎng)度方向均設(shè)置為10 mm等間距網(wǎng)格。

根據(jù)設(shè)定約束條件及加載制度進(jìn)行靜力計(jì)算，荷載達(dá)到70 kN時(shí)，鋼梁應(yīng)變?cè)茍D如圖16所示。

4.2 模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

緊護(hù)套光纖布設(shè)部位仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比如圖17所示。

緊護(hù)套分布式光纖測(cè)試值和仿真值曲線趨勢(shì)基本一致，各級(jí)荷載作用下的測(cè)試曲線無(wú)交叉，分布均勻，表明測(cè)試結(jié)果能夠從趨勢(shì)上反映鋼梁應(yīng)變的變化。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，純彎段大致在X=-0.4～0.4之間，這與仿真結(jié)果是一致的。相較于仿真值，在分配梁加載點(diǎn)(X=±0.5)附近的測(cè)試值總體偏小。在純彎段，4號(hào)和15號(hào)測(cè)試值與仿真值較為接近?？傮w上存在，壓區(qū)測(cè)試值偏大，拉區(qū)測(cè)試值偏小的趨勢(shì)。

從16號(hào)以及4號(hào)的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，應(yīng)變高傳遞復(fù)合分布傳感光纖對(duì)粘貼工藝要求更高(包括對(duì)預(yù)拉的緊繃程度及光纖筆直的要求)。本次測(cè)試，16號(hào)在應(yīng)變超過(guò)200 με后，跨中應(yīng)變曲線出現(xiàn)數(shù)值波動(dòng)較大的現(xiàn)象。

從15號(hào)和1號(hào)的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，在純彎段，0.9 mm護(hù)套分布式光纖測(cè)試值較2 mm護(hù)套分布式光纖測(cè)試值更接近仿真值，說(shuō)明護(hù)套厚度對(duì)測(cè)試精度有影響，護(hù)套厚度越小，測(cè)試結(jié)果越精確。但護(hù)套厚度越小，對(duì)粘貼工藝和成活保護(hù)的要求越高。

由于梁背面FBG安裝的影響，實(shí)際上梁背面16-1號(hào)與梁正面4號(hào)以及15-1號(hào)與1號(hào)高度存在不一致，數(shù)值有誤差，但總體測(cè)試曲線線性變化趨勢(shì)一致。

FBG布設(shè)部位仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比如圖18所示。

以上數(shù)據(jù)表明，試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均大于理論值，受壓區(qū)FBG的測(cè)試數(shù)據(jù)與理論值的誤差為20%，受拉區(qū)三組數(shù)據(jù)，跨中21號(hào)FBG測(cè)試數(shù)據(jù)與理論值相差較大，為38%，其他兩組測(cè)試數(shù)據(jù)與理論值相差均小于16%。

應(yīng)變高傳遞復(fù)合分布傳感光纖仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖19所示。

以上數(shù)據(jù)表明，試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)略大于理論值，受壓區(qū)應(yīng)變高傳遞復(fù)合分布傳感光纖的測(cè)試數(shù)據(jù)與理論值的誤差小于25%，受拉區(qū)應(yīng)變高傳遞復(fù)合分布傳感光纖的測(cè)試數(shù)據(jù)與理論值加載初期誤差偏大，穩(wěn)定后誤差小于25%。

5 結(jié)論

1)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，分布式光纖隨荷載的變化，受拉時(shí)線性變化率為19.10 με/(kN·m)，受壓時(shí)線性變化規(guī)律率為-16.00 με/(kN·m)。FBG隨荷載的變化，受拉時(shí)線性變化率為16.40 με/(kN·m)，受壓時(shí)線性變化規(guī)律率為-16.10 με/(kN·m)。應(yīng)變片隨荷載的變化，受拉時(shí)線性變化率為12.10 με/(kN·m)，受壓時(shí)線性變化率為-16.68 με/(kN·m)。FBG傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，隨各級(jí)荷載增加而遞增，呈線性變化。分布式光纖與應(yīng)變片拉壓測(cè)試所表現(xiàn)的線性規(guī)律不一致，但均隨著荷載增加呈線性變化。各傳感器測(cè)試結(jié)果具有較高的可靠性。分布式光纖、FBG以及其解調(diào)儀測(cè)試準(zhǔn)確性與測(cè)試精度滿足現(xiàn)場(chǎng)工程需求。

2)緊護(hù)套分布式光纖與OSI-S解調(diào)儀可準(zhǔn)確反映鋼梁應(yīng)變的變化，試驗(yàn)測(cè)試值與應(yīng)變片測(cè)試結(jié)果誤差小于30%；短距離范圍內(nèi)，應(yīng)變高傳遞復(fù)合分布傳感光纖與FTB2505解調(diào)儀測(cè)試結(jié)果線性相對(duì)于OSI-S測(cè)試結(jié)果較差，在500 με范圍內(nèi)，兩種解調(diào)儀測(cè)試數(shù)值的測(cè)試誤差小于10%。

3)分布式光纖與FBG的測(cè)試結(jié)果均呈現(xiàn)較好的線性，在受壓區(qū)域，分布式光纖測(cè)試值高于FBG測(cè)試值，在受拉區(qū)，分布式光纖測(cè)試值低于FBG測(cè)試值。測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)進(jìn)一步布設(shè)工藝標(biāo)定后可滿足鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)需求。