FBG傳感器在帶孔道面板載荷試驗中的應用

蔡 靖，都志強，李 岳

（中國民航大學機場學院，天津 300300）

FBG傳感器在帶孔道面板載荷試驗中的應用

蔡 靖，都志強，李 岳

（中國民航大學機場學院，天津 300300）

由于助航燈光的設置，機場跑道道面板內設有連續(xù)分布的孔，使其處于帶孔工作狀態(tài)。因此，設計了帶孔混凝土道面板載荷試驗，分別在道面板板側和孔洞內布置電阻應變片和光纖光柵傳感器，從而獲得板側彎拉應變和孔內豎向剪切應變；進而通過道面板有限元模擬分析，對孔內豎向剪切應變與板邊彎拉應變的關系進行擬合，獲得二者之間的相互關系，并與試驗結果進行對比。結果表明：試驗結果和有限元分析結果吻合，誤差在20%以內，滿足工程要求。進一步進行了動載試驗并對動應變信號進行小波包分析，獲得帶裂縫板的能量分布規(guī)律，且發(fā)現(xiàn)裂縫處孔內剪切應變能量變化率達到84.8%，說明剪切應變對損傷具有敏感性，所提監(jiān)測方法可實現(xiàn)損傷的識別和預警。

道路工程；光纖光柵傳感器；載荷試驗；帶孔道面板；小波包分析

由于機場跑道混凝土道面板在使用過程中，往往在達到使用壽命前就出現(xiàn)各種破壞現(xiàn)象，且這些破壞無法預測，給航空器運行安全帶來非常大的威脅。如能在跑道運營中及時發(fā)現(xiàn)隱患并進行處理，就會避免這些威脅的發(fā)生。但在既有道面中埋設傳感設備會對道面產生新的損傷，且影響機場正常運行?；谏鲜鲈颍疚奶岢隼眉扔械烂嬷綗艄饪茁裨O傳感器，以孔洞剪切應變反算彎拉應變作為既有跑道應力狀態(tài)監(jiān)測指標的方法。

近年來光纖傳感技術的興起給工程監(jiān)測領域提供了一類新的技術和測試手段，光纖布拉格光柵（FBG）傳感技術以其獨特優(yōu)勢居于突出地位，但主要集中在建筑、橋梁、鐵路和隧道等領域中。1992年Rutger大學的Prohaska等[1]首次將光纖光柵埋入到混凝土結構中測量應變。1993年，加拿大Calgary附近的Beddington Trail大橋使用了貼在預應力混凝土支撐的鋼增強桿和碳纖維復合材料筋上的16個光纖光柵傳感器，對橋梁結構進行了長期監(jiān)測[2]。該項目是一個重要的里程碑，這是光纖傳感器第一次集成于一座大型結構，也是光纖應變監(jiān)測的第一次長期現(xiàn)場測試。1999年，Nellen等[3]分別在瑞典Sargan附近的隧道巖栓和用于Lucerne橋的預應力索上布置了FBG傳感器，用以監(jiān)測隧道建造與運營狀態(tài)下礫石的活動狀況。瑞士學者將FBG傳感器埋入混凝土，對混凝土斷裂延伸帶的寬度進行了測量[4]。在機場方面，Hendriek等[5]曾將單模光纖埋入飛機跑道上檢測其應力分布。上海浦東4跑道在建設中埋設FBG傳感器，監(jiān)測跑道力學狀態(tài)。從上述文獻可知，目前FBG傳感技術在橋梁、道路、隧道的施工與健康監(jiān)測[6-10]中廣泛應用，并取得很好效果。但將FBG應用到機場道面監(jiān)測，尤其是運營中的既有道面尚屬

首次。因此，本文提出將FBG傳感技術引入機場既有跑道健康狀況監(jiān)測中，長期有效地監(jiān)控機場道面健康狀況，為跑道智能自管理提供數據支持。

1 FBG傳感器測試原理

FBG傳感器的核心元件是一段刻有布拉格光柵的光纖，當光通過光柵時，某特定波長的光被反射回去，如圖1所示，該波長稱為光柵中心波長，其他波長的光則發(fā)生透射。測試中溫度、應變或其他待測物理量發(fā)生變化時將導致光柵反射周期或折射率發(fā)生變化，從而導致中心波長變化，中心波長變化對應待測物理量的變化情況。

圖1 光纖光柵的結構Fig.1 Structure of fiber optical grating

機場道面板在使用過程中受到飛機荷載作用產生應變，同時環(huán)境溫度也是影響測試的物理量。一般光柵在拉、壓應變作用下引起的中心波長變化量ΔλBs為

由溫度所引起的光柵中心波長變化為

因此，由應變和溫度共同作用下光柵中心波長變化量ΔλB為

式中：Kε=1-Pe為應變傳感器靈敏度系數；KT= αf+ξ為溫度傳感器靈敏度系數[11-12]。

2 道面板載荷試驗設計與測點布置

2.1 道面板模型簡化與制作

為簡化邊界條件，使試驗結果便于分析，試驗中截取道面板孔洞兩側0.25 m寬板帶作為試驗板。因此，試驗道面板長4.0 m，機輪行駛方向寬0.5 m，板厚0.1 m。板上分布5個孔徑為0.1 m的測試孔。相鄰孔間距分別為0.8 m和0.6 m。模擬飛機駛過道面板中心線，確定加載區(qū)域為中心孔兩側，加載面積為0.3 m×0.5 m，如圖2（a）所示。

圖2 試驗模型圖及測點布置Fig.2 Test model plan and mesuring points

2.2 測點布置與傳感器埋設

為了測試道面板在荷載作用下孔內的豎向剪切變形和板邊彎拉變形，在孔內和板邊對稱布置FBG傳感器(用G表示)和電阻應變片（作為補充測點進行對比驗證分析，用S表示），具體測點布置如圖2(a)和圖2(b)所示。其中：S1～S5和G1～G5分別為電阻應變片和光纖傳感器；S（G）9～S（G）15為孔內應變片和FBG傳感器。

2.3 試驗加載方案

為了驗證FBG傳感器的適用性，道面板采用簡支和泡沫板兩種支承條件。首先將測試板置于滿足簡支條件的混凝土支座上，跨度為3.0 m。然后為模擬跑道基層，將測試板置于尺寸為4.4 m×0.9 m×0.2 m泡沫板上。試驗對稱加載，每級加載持荷10 min后采集數據，具體加載工況如表1所示。

表1 荷載工況Tab.1 Load rating conditions

3 試驗數據分析

為了驗證FBG測試數據的準確性，本文基于Abaqus軟件對試驗加載工況進行了有限元模擬分析。

3.1 帶孔道面板有限元分析

板尺寸及加載方式與試驗保持一致，材料參數如表2所示。分別分析了簡支條件和泡沫板支承條件道面板在各加載工況下的應力應變分布情況，具體如圖3所示。圖3給出了2種不同支承條件下的有限元分析模型。

表2 道面結構計算參數Tab.2 Pavement structure calculation parameters

圖3 不同支承條件下的有限元模型Fig.3 Finite element model under different support conditions

對模型板進行分析計算，提取與試驗測點相對應位置處的應變，做進一步的對比分析。

3.2 板邊彎拉應變分析

用Test表示試驗中板各測點的應變，Simu表示有限元模擬分析結果，Euler-Bemoulli為簡支梁截面應變理論分析結果。為表述簡單，將簡支和泡沫板支承分別記為試驗1和試驗2。通過數據分析對比得到板邊彎拉應變沿板厚方向曲線，如圖4所示。

圖4 板側水平方向應變隨厚度分布曲線Fig.4 Plate side strain in horizontal direction with thickness profile

由圖4可以看出，電阻應變片測試結果和FBG傳感器數據均與有限元模擬結果和理論解比較符合，且FBG數據更接近模擬結果，其精確度及穩(wěn)定性更好。

3.3 豎向剪切應變分析

道面板在豎向荷載作用下不僅發(fā)生彎拉變形，也發(fā)生豎向剪切變形，試驗中對孔內各測點的剪切應變進行采集。由于對稱性，圖5給出了3個位置孔內豎向剪切應變沿孔周（以角度（°）表示）的分布規(guī)律。

圖5給出了剪切應變沿孔周的分布規(guī)律，可以看出，垂直于板長方向（90°和270°方向上）各測點數據符合較好，平行于板長方向（0°和180°方向上）測點數據誤差過大；另外，無論何種支承條件，同一截面處的剪切應變值相等，應變峰值出現(xiàn)在0°、90°、270°及180°這4個特征點位置處，如表3所示。

圖5 不同位置孔洞內豎向剪切應變沿孔周分布曲線Fig.5 Distribution curve of inner-hole surrounding vertical shear strain at different positions

進一步分析不同位置孔內垂直于板長方向（90°/270°方向）測點的豎向剪切應變沿板長度方向的分布規(guī)律，得到如圖6所示的孔內剪切應變分布曲線。

圖6 不同位置孔洞內豎向剪切應變沿長度分布曲線Fig.6 Distribution curve of inner-hole vertical shear strain along length at different positions

表3 不同位置孔剪切應變Tab.3 Hole shear strain at different positions

從圖6（a）、圖6（b）中可看出：試驗1中，孔1至孔3、孔5剪切應變正負號發(fā)生變化，其0點出現(xiàn)在孔2、孔4位置附近處，符合簡支條件剪切力發(fā)生突變規(guī)律；從圖6（c）、圖6（d）可看出：試驗2中在豎向荷載作用下孔內測點豎向剪切變形隨該測點距荷載位置距離的增加而減小，隨豎向荷載加大，各孔內豎向剪切變形相應增大，但距荷載位置較遠處孔內測點的剪切變形變化不大；2種工況試驗測得數據整體趨勢均與有限元模擬結果一致，近似成對稱分布。且FBG傳感器測定的剪切應變與數值分析結果更為接近，說明其精度可以滿足本文提出的測定孔內剪切應變方法的要求。

3.4 豎向剪切應變與彎拉應變關系

由于開孔的影響，在荷載作用下孔內豎向剪切應變明顯增大，通過有限元分析可知，在孔徑與孔位置不變的情況下，剪切應變放大系數保持不變。因此，對孔內垂直于板長度方向上的豎向剪切應變與板邊最大彎拉應變的關系進行擬合，得到如下公式：

1）遠端孔內豎向剪切應變與彎拉應變的關系為

2）近端孔內豎向剪切應變與彎拉應變的關系為

3）中心孔內豎向剪切應變與彎拉應變的關系為

將試驗測得的孔內豎向剪切應變代入對應公式求得彎拉應變，并與實測彎拉應變進行對比，結果如表4所示。

表4 剪切應變與彎拉應變關系對比Tab.4 Comparison and relationship between shear strain and bending tensile strain

從表4可看出，擬合值與實測值誤差均在20%以內，符合工程測試要求，說明用剪切應變可以推求板的彎拉應變，并變監(jiān)控道面板健康狀況。

4 沖擊荷載試驗與結果分析

4.1 沖擊荷載加載

為了模擬飛機在降落過程中對道面板產生的沖擊作用，對跨中底部帶裂縫板進行了瞬態(tài)沖擊加載試驗。加載方式為沖擊加載，具體方法為將20 kg砝碼用鐵絲吊至離加載面30 cm處，剪斷鐵絲，使其自由落下。同時采用采樣頻率200 Hz的FBG解調儀采集數據，延時為3 s。

4.2 動態(tài)應變信號分析

FBG傳感器各測點動應變信號如圖7所示。

對各測點的動應變信號進行分析，提取起跳時刻、峰值、峰值出現(xiàn)時刻和延時4個參數，結果如表5所示。

表5 動應變信號參數分析Tab.5 Dynamic strain signal parameter analysis

從圖7及表5中可看出，應變起跳點均在1.1 s處，最大拉、壓應變峰值出現(xiàn)在1.25 s處，同時可以看出，在沖擊荷載作用下，壓應變峰值大于拉應變峰值，最大壓應變達到55.26 με，最大正剪切應變出現(xiàn)在起跳點處，最大負剪切應變出現(xiàn)在1.25 s處；中心孔處最大正剪切應變達到94.12 με，約為其他孔剪切應變的11倍，反映了剪切應變對裂縫損傷的敏感性。

4.3 基于小波包節(jié)點能量分析的道面板損傷檢測

對上述采集的動應變信號采用Db4小波進行4層分解，進一步對小波包分解系數進行重構，以（j=0，1，…，15）表示第4層各節(jié)點的重構信號，對應的能量為則有

圖7 各測點應變時域響應圖Fig.7 Strain domain response graph of each measuring point

并對T進行歸一化處理，得到歸一化的能量特征向量T′為

進一步得到衡量T′的指標ZT為

式中：i表示小波包分解層數；j表示小波包分解第i層的頻率段編號。

基于上述方法分析動應變信號，得到4層小波包能量分布如圖8所示。

圖8 小波包能量分布Fig.8 Wavelet packet energy distribution

從圖8中可看出，各FBG傳感器都在第3階[25，37.5]、第7階[75，87.5]兩個低頻段包含較大的能量信息，即為模型板的第1、2階固有頻率，而第11階、15階則為模型板的兩個高階頻率。

為了進一步分析不同位置處傳感器能量的分布規(guī)律，按式（10）計算得到不同F(xiàn)BG傳感器動應變信號ZT值，如圖9所示。

圖9 傳感器-ZT值柱狀圖Fig.9 Sensor-ZTvalue histogram

從圖9中可看出，試驗2中11號傳感器對應的指標ZT值最大，而11號傳感器對應位置是中心孔處出現(xiàn)細微裂縫的位置，其應變能量值最大，并且發(fā)現(xiàn)裂縫處孔內剪切應變（G11）能量變化率達到84.8%，而位于板邊的1、3號傳感器指標ZT值相對較小。說明指標ZT可作為應變能以及損傷識別的特征參數。

5 結語

本文通過帶孔道面板靜載和動載試驗，提出了一種基于FBG傳感技術的既有道面健康監(jiān)測方法，通過試驗和數值分析得到如下結論：

1）FBG傳感器測得的模型板應變監(jiān)測數據，比傳統(tǒng)電阻應變式傳感器更具優(yōu)越性；板邊實測數據與有限元仿真分析及理論計算結果基本符合。

2）孔內豎向剪切應變在與道面中心軸線平行和垂直的4個特征點位上出現(xiàn)豎向剪切應變峰值，垂直于板長方向（90°和270°方向上）各測點數據與模擬結果吻合較好，平行于板長方向（0°和180°方向上）測點數據誤差過大。

3）利用有限元分析對孔內豎向剪切應變與板邊彎拉應變的關系進行擬合，獲得剪切應變與彎拉應變之間的相互關系，且通過試驗測得的剪切應變驗證結果表明：利用公式得到的彎拉應變與試驗測得的彎拉應變和有限元分析結果比較接近，誤差在20%以內，可以滿足工程要求。

4）在沖擊荷載作用下，提取各測點應變峰值，同樣對孔內豎向剪切應變與板邊彎拉應變的關系進行擬合，得到沖擊荷載作用下的剪切應變與彎拉應變的相互關系，且與試驗測得的剪切應變進行對比，誤差在10%左右，可以滿足工程要求。

5）對動應變信號進行小波包分析，獲得基于歸一化能量特征向量的指標，且該指標在裂縫處出現(xiàn)最大值，反映了結構損傷位置，為跑道結構健康預警提供數據支持。

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（責任編輯：楊媛媛）

Application of FBG sensor in load tests on concrete pavement structure with holes

CAI Jing,DU Zhiqiang,LI Yue
（College of Airport Engineering,CAUC,Tianjin 300300,China）

Pavement slabs work in condition with holes because of the continuous distribution of holes in them arranged for navigation lights.Therefore,concrete pavement slab load test with holes is designed to obtain the side flexuraltensile strain of slab and bore vertical shear strain by arranging strain gauges and FBG sensors in the side of slab and holes respectively.Finite element method is used to analyze the pavement slab and to compare with the experiment results by fitting the curves of side flexural-tensile strain of slab and bore vertical shear strain, showing that the experimental results are in good agreement with the results of finite element analysis,and the error is within 20%,which can meet the engineering requirements.Furtherly,dynamic load test and dynamic strain signal wavelet packet analysis are conducted to obtain energy distribution board with cracks,finding that the hole cut strain energy rate in cracks can reach 84.8%,suggesting that the shear strain is sensitive to injury,so the proposed monitoring method can be implemented to identify and alert the damages.

road engineering;FBG sensor;load test;pavement structure with holes;wavelet packet analysis

V351.11；U416.2

：A

：1674－5590（2016）06－0031－07

2016-03-08；

：2016-04-08

天津市科技支撐重點項目（14ZCZDGX00001）；中國民航大學機場工程科研基地項目（14JCGCKYJD）

蔡靖（1975—），女，河北灤縣人，副教授，博士，研究方向為機場道面結構性能及其監(jiān)測技術.