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)。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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%。
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。