光纖光柵傳感器用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的實驗研究

董云峰，王玉玲，吳春梅

(大慶師范學(xué)院 物理與電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163712)

1 問題陳述

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是土木工程的主要結(jié)構(gòu)形式之一，但由于大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用期限都長達幾十年，甚至上百年，在其服役過程中，由于環(huán)境載荷作用、疲勞效應(yīng)以及腐蝕和材料老化等不利因素的影響，結(jié)構(gòu)將不可避免的產(chǎn)生損傷積累和抗力衰減，嚴重時將導(dǎo)致災(zāi)難性事故的發(fā)生，因此對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)健康狀況進行監(jiān)測就顯得尤為重要。目前,對大型工程結(jié)構(gòu)的變形情況監(jiān)測普遍采用電阻應(yīng)變片或鋼筋應(yīng)力計。但由于其易受環(huán)境,尤其是電磁場、溫度、濕度、化學(xué)腐蝕和壽命短等條件的影響，而且不能進行分布式測量，其應(yīng)用范圍收到很大程度的限制。

光纖光柵與傳統(tǒng)的電類傳感器相比,除了具有靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、 防水、不受光源功率波動的影響等優(yōu)點外，而且集傳感與傳輸于一體、易于埋入材料內(nèi)部或附著在結(jié)構(gòu)的表面進行應(yīng)變、溫度或其他物理量的測量而不改變結(jié)構(gòu)的整體性；同時也可以通過復(fù)用技術(shù)集合成分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，來測量大型空間中的應(yīng)力或溫度場的實時分布特征。光纖光柵傳感技術(shù)滿足了現(xiàn)代土建結(jié)構(gòu)監(jiān)測的高精度、遠距離、分布式和長期性的技術(shù)要求，而被認為是在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中最有前途的傳感形式[1-3]。

2 FBG傳感原理[2-5]

光纖光柵Bragg波長λB隨溫度和應(yīng)變的漂移為

△λB=KT△T+Kεε

(1)

式中λB為光纖光柵的中心波長，KT=(α+ζ)λB、Kε=(1-Pe)λB分別為溫度、應(yīng)變靈敏度系數(shù)，α和ζ分別為光纖的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)，Pe為有效彈光系數(shù)，ε為軸向應(yīng)變。因此，通過監(jiān)測Bragg波長的漂移即可測出外界應(yīng)力和溫度的變化[4-5]。

由于光纖光柵對溫度和應(yīng)變是交叉敏感的，所以當(dāng)用光纖光柵進行應(yīng)變測量的時候，必須進行溫度補償，剔除溫度變化帶來的影響。設(shè)參考光柵和傳感光柵的波長分別為λB1、λB2，溫度靈敏度系數(shù)為KT1、KT2，傳感光柵的應(yīng)變靈敏度系數(shù)為Kε，則有

△λB1=KT1△T

(2)

△λB2=KT2△T+Kεε

(3)

把(2)式帶入(3)式，得到由應(yīng)變引起的波長漂移為

(4)

本實驗中，利用光纖溫度傳感器監(jiān)測溫度變化進行溫度補償。

3 實驗過程及結(jié)果

3.1 實驗裝置及方案描述

本實驗主要測試鋼筋混凝土圓柱樁的抗彎情況?？箯澰嚰某叽鐬?000×327×327的圓柱樁，試件主筋為17根Ф10鋼筋，箍筋的直徑為Ф4。實驗中我們利用嵌入式光纖應(yīng)變傳感器測量鋼筋混凝土的應(yīng)變，利用光柵溫度傳感器監(jiān)測溫度的變化；同時我們在試件的相同截面安裝鋼筋應(yīng)力計來監(jiān)測鋼筋混凝土的受力及應(yīng)變情況。實驗中利用千斤頂對鋼筋混凝土圓柱樁試件進行分級加載，采用三通道FBG解調(diào)儀來監(jiān)測FBG傳感器波長的變化情況，同時利用與計算機相連的處理軟件來監(jiān)測鋼筋應(yīng)力計測量的結(jié)果。

3.2 傳感器的布設(shè)與安裝

FBG傳感器和鋼筋應(yīng)力計布設(shè)如圖1和2所示，在鋼筋混凝土圓柱體試件中的截面上1號和9號鋼筋上各布置1個FBG應(yīng)變傳感器，同時在1號鋼筋上布置一個FBG溫度傳感器監(jiān)測溫度變化。主筋上間隔放置鋼筋應(yīng)力計，即圖1所示的橫截面圖上用藍色實心圓點表示的共計8根鋼筋在三個等截面上放置鋼筋應(yīng)力計。

圖1 鋼筋混凝土圓柱樁橫截面圖

圖2 傳感器布置圖

3.3 實驗加載方案

本實驗采用三分點加載法，如圖3中荷載P通過分配轉(zhuǎn)化成2個0.5P大小相等的力，分別作用在試件2個1/3點處。實驗中采用手動分級加載，步長為1t，一直加載到20t時鋼筋混凝土圓柱樁破壞為止。

圖3 抗彎實驗加載示意圖

3.4 實驗結(jié)果及分析

實驗中采用手動加載，加載步長為1t，每次加載結(jié)束后穩(wěn)定5分鐘后進行數(shù)據(jù)采集，F(xiàn)BG解調(diào)系統(tǒng)記錄波長變化情況，與計算機相連的監(jiān)測軟件記錄鋼筋應(yīng)力計測量的數(shù)據(jù)。實驗中加載到20t時，混凝土圓柱體已經(jīng)明顯變彎，當(dāng)繼續(xù)加載時，出現(xiàn)荷載加載不上去的現(xiàn)象，此時我們停止加載。實驗結(jié)束時的混凝土試件如圖4所示，試件中部已經(jīng)變彎，此時混凝土表面出現(xiàn)很多裂紋，如圖5所示。

圖4 鋼筋混凝土圓柱體試件圖 圖5 混凝土表面裂紋

經(jīng)處理后的實驗數(shù)據(jù)如圖6所示。圖中橫軸表示荷載，縱軸表示鋼筋混凝土試件所受的應(yīng)力。編號1～8為橫截面內(nèi)1布置的鋼筋應(yīng)力計，編號9～16為橫截面2布置的鋼筋應(yīng)力計，編號17～24為橫截面3內(nèi)的鋼筋應(yīng)力計，兩個FBG分別布置在橫截面2內(nèi)，9號和10號及13號和14號鋼筋應(yīng)力計之間的鋼筋上。從圖中6可以看到，F(xiàn)BG傳感器測量的結(jié)果與鋼筋應(yīng)力計測量的數(shù)據(jù)具有相同的趨勢和量級，可以正確反映鋼筋混凝土圓柱體內(nèi)部受力變形情況，是混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部健康監(jiān)測的理想元件。

圖6 抗彎實驗載荷-應(yīng)力圖

4 結(jié)語

本文通過對光纖光柵傳感器用于鋼筋混凝土圓柱樁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的實驗研究，發(fā)現(xiàn)FBG傳感器測量的結(jié)果與鋼筋應(yīng)力計測量的數(shù)據(jù)具有相同的趨勢和量級，可以正確反映鋼筋混凝土圓柱體內(nèi)部受力變形情況，滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的需要。

[參考文獻]

[1] Eric Udd, Marley Kunzler, Marty Laylor, et al.Fiber grating systems for traffic monitoring [J]. SPIE 2001, 4337:510-516.

[2] Johann Meissner, Walter Nowak. Strain monitoring at a prestressed concrete bridge[C].Proc. of the 12th Optical Fiber Sensor Conference OFS12, 1997: 408-411.

[3] Sandeep T V, Bryan A, Gregg J,et al. Quasi-static stain monitoring during the push phase of a box-girder bridge using Bragg grating sensors[C].Proceeding of SPIE— European Workshop on Optical Fiber Sensors.Scotland, 1998, 3483:205-208.

[4] Sean C, Jason M. Bridge structural health monitoring system using fiber grating sensors: development and preparation for a permanent installation[J].SPIE 2004,5391:61-71.

[5] Zhao Xue-feng,Tian Shi-zhu,Zhou Zhi,et al,Experimental Study on Strain Monitoring of Concrete Usinga Steel Slice Packaged Fibei Grating [J].J.of Optoelectronics·Laser(光電子·激光)，2003，14(2)：171-174.