船閘結(jié)構(gòu)施工過程光纖監(jiān)測應(yīng)用研究

宋占璞

摘 要：文章以海安船閘工程為例，采用三種光纖感測技術(shù)對船閘結(jié)構(gòu)施工過程進行了監(jiān)測應(yīng)用研究。運用拉曼散射光時域反射技術(shù)對底板混凝土水化熱的釋放過程進行了監(jiān)測;運用布里淵光時域分析技術(shù)和布喇格光纖光柵傳感技術(shù)對混凝土和鋼筋應(yīng)變進行了監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，分析了混凝土水化熱釋放過程和上部荷載雙重作用下船閘底板混凝土和鋼筋的應(yīng)變過程，并分析了相關(guān)監(jiān)測結(jié)果的形成機理。研究成果表明分布式光纖感測技術(shù)在船閘等大型水工結(jié)構(gòu)施工安全監(jiān)測中具有很大的優(yōu)勢，值得應(yīng)用推廣。

關(guān)鍵詞：船閘工程;光纖監(jiān)測;混凝土;結(jié)構(gòu)監(jiān)測

中圖分類號：TV7+X171.4? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）01-0051-04

引言

大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在以船閘、大壩為代表的水利水運工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。由于船閘工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大，需要在施工期間對其關(guān)鍵部位的應(yīng)變、應(yīng)力狀態(tài)進行監(jiān)測[1]。監(jiān)測閘首結(jié)構(gòu)施工過程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變，可以對閘首結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量的準確評估，對運行期的維護提供科學依據(jù)，也為類似船閘的優(yōu)化設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支撐[2，3]。

目前，對于船閘工程施工期監(jiān)測所采用的相關(guān)技術(shù)主要有沉降儀、測斜儀、全站儀、水準儀等[4]。這些監(jiān)測技術(shù)均屬于點式測量，測點分散，也很難對混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變和溫度進行實時測量。近年來光纖感測技術(shù)作為分布式監(jiān)測手段，已越來越多地應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)測和健康診斷。分布式光纖感測技術(shù)屬于無源感測技術(shù)，采用光信號感測具有本質(zhì)安全、抗電磁干擾、防水防潮、抗腐蝕和耐久性長等特點[5]。另外，該技術(shù)采用光纖傳輸，傳輸損耗小，容易實現(xiàn)遠距離信號傳輸和自動監(jiān)測控制。相關(guān)研究人員在土木工程、水利工程和航空航天等領(lǐng)域已經(jīng)開展了廣泛的光纖感測技術(shù)理論和應(yīng)用研究，取得了一系列研究成果：施斌等[6，7]將分布式感測光纖黏貼在隧道混凝土表面對其進行健康診斷，Matta等[8]將傳感光纖黏貼在鋼結(jié)構(gòu)表面以監(jiān)測鋼橋應(yīng)變，Zhou等[9]將傳感光纖加工成復(fù)合筋的形式埋入鋼筋混凝土梁內(nèi)部并隨其進行了實驗研究。此外，毛江鴻等[10]開展了光線感測技術(shù)在結(jié)構(gòu)應(yīng)變及開裂監(jiān)測中的應(yīng)用研究，但其研究僅限理論論證及室內(nèi)試驗，缺乏實際工程驗證。

本文以江蘇省海安船閘為依托工程，采用三種光纖感測技術(shù)，包括布里淵光時域分析技術(shù)（Brillouin Optical Time-domain Analysis，簡稱BOTDA），拉曼散射光時域反射測量技術(shù)（Raman Optical Time-domain Refectometry，簡稱ROTDR）和布喇格光纖光柵技術(shù)（Fiber Bragg grating，簡稱FBG）分別對船閘閘首底板在溫度、受荷作用下混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變信息，閘首底板混凝土澆筑過程中水化熱的釋放和底板內(nèi)部鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變信息進行了監(jiān)測，取得了一些新的認識。

1光纖感測技術(shù)原理

本次研究采用了BOTDA、ROTDR和FBG三種光纖感測技術(shù)，它們具有各自的感測原理和功能。BOTDA技術(shù)基于受激布里淵散射原理，利用了光纖中的布里淵散射光頻率變化量與光纖軸向應(yīng)變、環(huán)境溫度之間的線性關(guān)系來實現(xiàn)傳感[6，7]。ROTDR測溫技術(shù)以光脈沖來照射纖芯，光波發(fā)生拉曼散射，散射光中斯托克斯光和反斯托克斯光的強度比和溫度具有線性關(guān)系[5]。FBG具有良好的波長選擇特性，滿足布喇格衍射條件的入射光（波長為lB）在FBG處被耦合反射，反射光譜在FBG中心波長lB處出現(xiàn)峰值，布喇格衍射條件可表示為[11]。應(yīng)變和溫度的變化量與反射光中心波長lB的位移有良好的線性關(guān)系，通過檢測反射光中心波長的漂移，實現(xiàn)對環(huán)境溫度和結(jié)構(gòu)應(yīng)變的監(jiān)測。

2監(jiān)測方案

2.1船閘概況

海安船閘位于江蘇省南通市海安縣，采用雙線230×23×4.0（m）上、下閘首對齊布置，兩閘中心距60m，閘首采用整體剛度大抗震性能好的鋼筋混凝土塢式結(jié)構(gòu)，閘首邊墩采用空箱式結(jié)構(gòu)，左右空箱底部設(shè)有輸水廊道。

2.2 監(jiān)測方案

2.2.1混凝土水化熱溫度監(jiān)測

針對閘首底板結(jié)構(gòu)尺寸大、混凝土分塊澆筑的特點，本次研究采用分布式ROTDR測溫技術(shù)與點式FBG測溫技術(shù)相結(jié)合的方式監(jiān)測底板混凝土水化熱溫度：分布式測溫傳感光纖采用U字型回路布設(shè)于底板中部，U字型間距3m，距表層1.5m處，監(jiān)測底板混凝土內(nèi)部水化熱溫度變化過程;FBG溫度計與結(jié)構(gòu)上、下表層鋼筋綁扎安裝，監(jiān)測結(jié)構(gòu)表層混凝土溫度。底板結(jié)構(gòu)設(shè)置后澆帶，橫向隔離為三個體積相近的塊體，塊體編號及光纖傳感器布設(shè)如圖1所示。

2.2.2 混凝土和鋼筋應(yīng)變監(jiān)測

用BOTDA技術(shù)分布式纖維加強筋光纖監(jiān)測底板上、下表層混凝土在閘首施工過程中的應(yīng)變;采用FBG鋼筋應(yīng)力計監(jiān)測底板上、下表層鋼筋在閘首施工過程中的應(yīng)變，傳感器的技術(shù)參數(shù)如表2所示。應(yīng)變傳感光纖和鋼筋應(yīng)力計垂直于船閘軸向安裝，監(jiān)測底板結(jié)構(gòu)鋼筋受力及底板撓曲變形，位置示意見圖1。

2.2.3 混凝土裂縫監(jiān)測

閘首輸水廊道上導(dǎo)角位置混凝土受上部荷載及流水沖刷作用最易發(fā)育裂縫。本次研究采用BOTDA技術(shù)將纖維加強筋光纜沿輸水廊道上導(dǎo)角混凝土表層，監(jiān)測該位置混凝土應(yīng)變，結(jié)合混凝土材料的極限抗拉強度判斷混凝土裂縫發(fā)育情況，傳感器安裝位置示意見圖1。

3監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 混凝土水化熱溫度

閘首中底板結(jié)構(gòu)長14.8m，寬29.2m，高3m，澆筑混凝土1042m3，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)。大體積混凝土由于水泥水化釋放水化熱，結(jié)構(gòu)內(nèi)部和表層散熱條件不同形成內(nèi)外溫差，由于內(nèi)外約束存在，混凝土不能自由變形，在水化熱作用下產(chǎn)生溫度應(yīng)力。圖2為混凝土澆筑完成之后ROTDR系統(tǒng)獲得的內(nèi)部溫度場變化過程云圖：

從圖中可以看出，混凝土澆筑完成之后，水化熱反應(yīng)迅速，1-5天底板內(nèi)部溫度快速上升，至第5天，底板混凝土內(nèi)部區(qū)域溫度達到最大值?；炷羶?nèi)部溫度升高之后，內(nèi)部熱量向表層傳遞散熱;第7天之后，內(nèi)部溫度開始緩慢下降。至澆筑完成第14天，混凝土內(nèi)部溫度場下降至平穩(wěn)階段，至養(yǎng)護期結(jié)束，混凝土內(nèi)部溫度降至環(huán)境溫度。

圖3是光柵FBG傳感器監(jiān)測的底板上、下表層溫度與ROTDR測得的底板中心溫度差值。由圖可知，上表層混凝土溫度澆筑完成初期下降較快，隨后中心溫度向表層消散，上表層臨空，散熱條件較好，下表層附著地基，散熱條件不理想，說明底板大體積混凝土水化熱主要通過上表層散熱。

3.2 混凝土應(yīng)變

基于BODTA技術(shù)的閘首底板混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，測得船閘工程閘首結(jié)構(gòu)封鉸之后、邊墩后土體回填完成和船閘通航之后閘首底板上、下表層的混凝土應(yīng)變變化，見圖4。

3.3 鋼筋應(yīng)變

閘首底板FBG鋼筋應(yīng)力計采用與主筋串聯(lián)焊接的方式安裝，現(xiàn)場實時監(jiān)測混凝土澆筑完成之后2#底板中鋼筋的應(yīng)變，監(jiān)測結(jié)果見圖5（a）。分析上、下表層鋼筋受力作用，

4 結(jié)論

（1）采用ROTDR和FBG相結(jié)合的分布式光纖感測技術(shù)，能完整監(jiān)測到閘首底板大體積混凝土水化熱的釋放過程。

（2）采用BOTDA與ROTDR相結(jié)合，準確地獲取了船閘閘首底板結(jié)構(gòu)在施工過程中混凝土的應(yīng)變分布。

（3）采用FBG準分布式光柵傳感技術(shù)監(jiān)測了船閘閘首底板中鋼筋的應(yīng)力變化過程。

本次采用光纖感測技術(shù)監(jiān)測船閘結(jié)構(gòu)施工過程的結(jié)果表明：根據(jù)被測物的結(jié)構(gòu)特點，利用三種分布式光纖感測技術(shù)各自優(yōu)勢，取長補短，可形成船閘分布式光纖傳感監(jiān)測體系，可實現(xiàn)船閘整體和局部的精細化監(jiān)測。

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基金項目：江蘇省青年基金項目（SBK2017040181）