光纖Bragg光柵應(yīng)變測試技術(shù)在大型振動臺模型試驗中應(yīng)用

陳 蘇，陳國興，徐洪鐘，戚承志，王志華

(1.南京工業(yè)大學(xué) 巖土工程研究所,南京 210009；2.江蘇省土木工程防震技術(shù)研究中心,南京 210009；3.北京建筑工程學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院,北京 100044)

目前，我國已有34個城市已建或獲批地鐵建設(shè)規(guī)劃，地鐵建設(shè)已成為解決大城市交通擁擠的有效途徑。地鐵車站為地鐵的交通樞紐，人員密集度高，一旦遭遇破壞將會造成重大人員傷亡及財產(chǎn)損失，且修復(fù)難度大。1985年Ms8.1級墨西哥地震、1995年Ms7.2級日本阪神地震，使墨西哥城、神戶的地鐵區(qū)間隧道及地下車站結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴重震害現(xiàn)象。由于缺乏(現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，已對不同場地條件、截面形式、模型材料的地下結(jié)構(gòu)抗震性能進行研究[1-7]，試驗所得數(shù)據(jù)對促進地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析理論及數(shù)值分析方法的進步有較大幫助。對大型振動臺試驗而言，鍍鋅鋼絲應(yīng)變測試技術(shù)難點在于鋼絲直徑太小，無法滿足粘貼應(yīng)變片基體尺寸要求，較難深入研究模型結(jié)構(gòu)中鍍鋅鋼絲與微粒混凝土或石膏的協(xié)同工作關(guān)系，難以科學(xué)解釋地下車站結(jié)構(gòu)地震損傷及災(zāi)變的內(nèi)在機理。

光纖光柵傳感技術(shù)作為迅速發(fā)展的新型傳感技術(shù)被應(yīng)用。光纖Bragg光柵是目前最成熟、應(yīng)用最廣泛的光纖光柵傳感技術(shù)，其優(yōu)點為：① 形態(tài)纖細，裸光纖直徑僅125 μm，可測試相似比縮尺后小尺寸基體材料振動反應(yīng)；② 抗干擾能力及信號穩(wěn)定性強；③ 耐腐蝕性、耐久性優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器，更適合于惡劣試驗條件。本文試驗采用自行封裝、保護的裸光纖Bragg光柵完成地震動作用下模擬鋼筋鍍鋅鋼絲的動應(yīng)變測試。

1 三拱立柱式地鐵車站振動臺試驗方案簡介

本次振動臺試驗所用地基土模型土箱及動態(tài)信號采集系統(tǒng)見文獻[8-9]。據(jù)Bukingham π定理設(shè)計相似比，模型結(jié)構(gòu)選長度、彈性模量、加速度為基本物理量；模型地基選剪切波速、密度、加速度為基本物理量，按量綱分析原則推導(dǎo)其余各物理量相似比關(guān)系。模型地基-模型結(jié)構(gòu)體系各物理量相似比見表1。采用水沉法分層制備模型地基土，表層為厚15 cm粘土，其下為厚125 cm的飽和南京細砂。模型地基土在飽和狀態(tài)下靜置7天使其固結(jié)；模型結(jié)構(gòu)微?；炷僚浜媳葹樗核啵菏遥捍稚?0.5：1：0.58：5，模擬鋼筋的鍍鋅鋼絲直徑0.7～1.2 mm(箍筋：0.7 mm，柱、拱1.2 mm)，模型結(jié)構(gòu)端頭用10 mm厚有機玻璃封口，有機玻璃與模型結(jié)構(gòu)用環(huán)氧樹脂膠結(jié)；考慮模型結(jié)構(gòu)與原型結(jié)構(gòu)的慣性力匹配，采用不完全配重法及集中質(zhì)量配重，在模型結(jié)構(gòu)表面粘貼鉛塊236 kg，占完全配重的40.6%；模型結(jié)構(gòu)及配重布置見圖1。振動臺試驗輸入地震動為5.12汶川大地震近場地震動什邡波、遠場地震動松潘波及中遠場地震動Taft波，地震動特性見文獻[5]，加載工況見表2。

圖1 三拱立柱式地鐵車站模型結(jié)構(gòu)及配重布置

表1 模型地基-模型結(jié)構(gòu)體系相似關(guān)系及相似比設(shè)計

表2 地鐵車站結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗加載工況

2 光纖Bragg光柵應(yīng)變測試原理及試驗方案

2.1 光纖Bragg光柵應(yīng)變測試原理

光纖Bragg光柵工作原理見圖2。利用光纖材料的光敏性在纖芯內(nèi)形成空間相位，光柵作用的實質(zhì)為在纖芯內(nèi)形成窄帶濾波器或反射鏡，使光在其中的傳播行為得以改變與控制[10]，通過光譜分析反射光譜及透射光譜中心波長的改變量，據(jù)標定關(guān)系間接獲取目標測試物理量。大型振動臺試驗工況下，地震動引起光柵Bragg波長移位，導(dǎo)致光柵周期Λ變化，光纖本身具有的彈光效應(yīng)使有效折射率neff隨外部地震動激勵的改變而改變，光柵Bragg波長移位表達式為

λB=2neffΛ

(1)

式中,λB為入射光通過光纖Bragg光柵反射的中心波長；Λ為光柵周期；neff為光纖纖芯針對自由空間中心波長折射率。

據(jù)已有研究[11]，光纖光柵彈光效應(yīng)單位縱向應(yīng)變引起的波長移位為1.22 pm/με，因此中心波長改變量與應(yīng)變值標定關(guān)系換算式為

ε=ΔλB×1 000/1.22

(2)

式中,ε為應(yīng)變值；ΔλB為中心波長改變量。

圖2 光纖Bragg光柵傳感工作原理圖

2.2 鍍鋅鋼絲應(yīng)變測試方案

試驗及震害調(diào)查表明[3-7]：地震作用下地鐵車站的中柱易損傷或破壞，因此，本次試驗測試對象選取中柱；模型結(jié)構(gòu)縱軸向三跨，選取模型結(jié)構(gòu)中跨中柱為應(yīng)變測試觀測面，布設(shè)4個光纖Bragg光柵測點。傳感器編號G代表光纖Bragg光柵，S代表應(yīng)變片。應(yīng)變測試截面見圖3，傳感器布設(shè)見圖4。右側(cè)中柱Z2頂端、中部及底端依次采用光纖光柵(測點G1、G2、G3)測試鍍鋅鋼絲應(yīng)變時程，采用應(yīng)變片(測點S1-7、S1-8、S1-9)測試對應(yīng)位置微粒混凝土應(yīng)變時程，比較兩者差異性分析其協(xié)同工作關(guān)系；左側(cè)中柱Z1頂端設(shè)置光纖光柵測點G4及應(yīng)變片測點S1-1，用以對比左、右側(cè)中柱應(yīng)變反應(yīng)差異性。

試驗中模擬鋼筋的鍍鋅鋼絲直徑微小，應(yīng)變片及常規(guī)傳感器均不能滿足測試要求，故用裸光纖Bragg光柵進行測試。裸光纖形態(tài)纖細，易拉斷、折斷，因此試驗中需對其進行封裝、保護，以保證光纖Bragg光柵的存活率；封裝保護致使感受外界因素變化的纖芯與被測對象間產(chǎn)生中間層。據(jù)已有對中間層研究[12]及鍍鋅鋼絲直徑較小(1.2 mm)情況，采用粘貼式封裝方法見圖5。粘貼前，先用酒精清理測試點雜質(zhì)，再用502膠將Bragg光柵段粘貼于測點，待膠凝固后，用環(huán)氧樹脂封裝應(yīng)變測點處光柵段。光柵段兩側(cè)光纖按相同方法粘貼在測點兩側(cè)的鍍鋅鋼絲上，以避免光纖段拉扯脫離鍍鋅鋼絲表面；待膠水凝固后，光纖引線套入細套管中，進行一次保護；為防止?jié)仓⒘；炷吝^程中破壞光纖引線，將穿越微?；炷炼蔚墓饫w引線用鎧裝光纜進行二次保護。

圖3 模型結(jié)構(gòu)應(yīng)變測試觀測面

圖4 地鐵車站模型結(jié)構(gòu)觀測面應(yīng)變測點布置圖

圖5 光纖Bragg光柵封裝示意圖

光纖Bragg光柵應(yīng)變測試流程見圖6。振動引起的光纖Bragg光柵中心波長改變量信號，通過光纖傳至動態(tài)光纖光柵傳感解調(diào)儀MOI SM130中，將中心波長改變量轉(zhuǎn)化成應(yīng)變信號，解調(diào)后數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)實現(xiàn)與電腦終端數(shù)據(jù)傳遞。

圖6 采用光纖Bragg光柵測試應(yīng)變流程圖

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 鍍鋅鋼絲應(yīng)變反應(yīng)規(guī)律

什邡地震動作用下模型車站結(jié)構(gòu)中柱頂端、中部及底端鍍鋅鋼絲應(yīng)變時程曲線見圖7。由圖7看出，隨輸入地震動峰值加速度的增大，鍍鋅鋼絲各測點應(yīng)變峰值均有所增加；右側(cè)中柱柱頂G1峰值應(yīng)變大于柱底G3峰值應(yīng)變，中部G2峰值應(yīng)變遠小于柱頂G1及柱底G3。其原因可解釋為：三拱立柱式地鐵車站屬柱承重模式結(jié)構(gòu)，而其地震響應(yīng)主要受周邊土體位移控制，模型地基頂部位移較大。在水平向地震動作用下，模型結(jié)構(gòu)中柱柱頂承受彎曲應(yīng)力更大，從而使柱頂峰值應(yīng)變大于柱底峰值應(yīng)變；而中柱中部近似為構(gòu)件的反彎點位置，附加彎曲應(yīng)力最小。

模型結(jié)構(gòu)左、右側(cè)中柱柱頂測點G4、G1應(yīng)變反應(yīng)呈現(xiàn)輕微不對稱性。其原因為輸入地震動激勵不對稱性及場地液化后孔壓消散導(dǎo)致模型地基不均勻沉降，使模型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度傾斜、扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖7 什邡地震動作用下光纖Bragg光柵所測中柱鍍鋅鋼絲各測點應(yīng)變時程曲線

3.2 光纖Bragg光柵與應(yīng)變片應(yīng)變測試結(jié)果對比

3.2.1 Mann-Whitney U非參數(shù)檢驗方法

信號處理方法較多運用在機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷及經(jīng)濟、環(huán)境等領(lǐng)域[13-16]。本文采用兩獨立樣本的非參數(shù)檢驗方法，即Mann-Whitney U檢驗對光纖光柵測試結(jié)果及應(yīng)變片測試結(jié)果進行定量分析，通過目標樣本的秩推斷兩樣本分別代表的總體有無差別。以峰值加速度0.1 g松潘地震動作用下右側(cè)中柱頂部鍍鋅鋼絲測點G1與微?；炷翜y點S1-7應(yīng)變測試結(jié)果為例，論述其原理。建立檢驗假說H0：地震動作用下，鍍鋅鋼絲應(yīng)變與微?；炷翍?yīng)變總體分布相同；H1：地震動作用下，鍍鋅鋼絲應(yīng)變與微?；炷翍?yīng)變總體分布不同。確定顯著性水平為雙尾α=0.05，若檢驗系數(shù)P小于0.05，則說明兩者存在顯著性差異。將光纖光柵測試樣本(測點G1共13 800個測試值)與應(yīng)變片測試樣本(測點S1-7共13 800個測試值)混合，將混合樣本按大小排列并編秩。測試值的最小值秩為1，最大值秩為27 600。分別計算光纖光柵測點G1各測試值對應(yīng)秩的和、應(yīng)變片測點S1-7各測試值對應(yīng)秩的和，獲得光纖光柵測點G1各測試值的平均秩為13 839.05，應(yīng)變片測點S1-7各測試值的平均秩為13 762.95，查表得P值為0.428，大于顯著性水平0.05，即：在概率0.05水平上，接受H0，兩種應(yīng)變測試方法所測應(yīng)變分布無顯著差異，光纖與應(yīng)變片測試信號時程見圖8。由圖8看出，兩種測試方法結(jié)果較一致。

3.2.2 鍍鋅鋼絲與微粒混凝土協(xié)同工作關(guān)系分析

本文用數(shù)據(jù)挖掘軟件Spss實現(xiàn)非參數(shù)檢驗Mann-Whitney U方法。由表2知，在不同地震動作用下，模型結(jié)構(gòu)柱頂、柱底位置處檢驗系數(shù)P均大于0.05，在概率0.05水平上均接受H0，拒絕H1；由統(tǒng)計學(xué)角度，鍍鋅鋼絲應(yīng)變與對應(yīng)位置微?；炷翍?yīng)變分布相同，兩者無顯著性差異。中柱位置處，光纖測試結(jié)果與應(yīng)變片測試結(jié)果對比見圖8，由8圖知，應(yīng)變片測試結(jié)果與光纖Bragg測試結(jié)果幅值基本相同，曲線形態(tài)基本一致；在振動初始階段，用光纖Bragg光柵測試的信號“毛刺”較少；鍍鋅鋼絲未出現(xiàn)應(yīng)變突增現(xiàn)象。由力學(xué)角度可判斷，振動臺試驗過程中模型結(jié)構(gòu)中柱鍍鋅鋼絲與微?；炷撂幱趨f(xié)同變形階段，微?；炷林闯霈F(xiàn)貫通裂縫，模型結(jié)構(gòu)處于彈性或輕微損傷工作階段。對中柱中部小應(yīng)變區(qū)域，僅在峰值加速度0.5 g的什邡地震動作用下，P值大于0.05。由統(tǒng)計學(xué)角度，兩者應(yīng)變形態(tài)分布不同，存在明顯差異。由圖9看出，光纖Bragg光柵測點G2所測應(yīng)變形態(tài)優(yōu)于應(yīng)變片測點S1-8測試結(jié)果，此因地震模擬系統(tǒng)本身電磁干擾較大，而采用應(yīng)變片測試存在易受噪聲干擾、捕捉較弱信號能力較差等問題；光纖Bragg光柵具有強抗電磁干擾能力，在一定程度上克服了系統(tǒng)本身的應(yīng)變測試誤差，并在弱信號捕捉上具有先天優(yōu)勢。因此，在大型振動臺模型結(jié)構(gòu)試驗中，建議對測試精度要求較高或信號較弱的測試部位，采用光纖光柵傳感測試技術(shù)。

表3 不同地震動作用下Mann-Whitney U檢驗P值

圖8 不同地震動作用下中柱鍍鋅鋼絲及微?；炷翍?yīng)變時程曲線

圖9 不同地震動作用下中柱中部鍍鋅鋼絲及微?；炷翍?yīng)變時程曲線

4 結(jié) 論

通過可液化場地的三拱立柱式地下地鐵車站結(jié)構(gòu)非破壞性大型振動臺模型試驗，采用光纖Bragg光柵測試鍍鋅鋼絲的應(yīng)變時程、應(yīng)變片測試對應(yīng)位置微粒混凝土應(yīng)變時程，運用Mann-Whitney U方法定量分析鍍鋅鋼絲與微?；炷恋南嗷f(xié)同工作關(guān)系，結(jié)論如下：

(1) 模型結(jié)構(gòu)中柱頂部、底部位置處，鍍鋅鋼絲應(yīng)變測試樣本與微?；炷翍?yīng)變測試樣本非參數(shù)檢驗系數(shù)P均大于0.05，兩者無明顯差異，結(jié)構(gòu)處于彈性或輕微損傷工作階段。

(2) 中柱中部位置光纖Bragg光柵測試的應(yīng)變形態(tài)顯著優(yōu)于應(yīng)變片測試結(jié)果。振動臺模型試驗中，小尺寸基體或電磁干擾較大、信號強度較弱的目標測試部位宜用光纖光柵傳感測試技術(shù)。

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