基于光纤光栅的在役结构应力测量技术

2022-11-18

目前, 我国的很多桥梁已经步入老龄期。在役结构的检测、监测及安全评定成为保证桥梁结构运营安全的有效手段。在役结构的表面布设传感器的方法, 只能测量结构在活荷载作用下产生的应力增量, 不能获得测点应力大小的相关信息, 而仅依靠结构的应力变化无法实现对其安全评定。只有获得全面而准确的结构应力信息才能为结构的安全评定奠定坚实的基础, 因此以上问题的解决将为在役结构的检测/监测带来新的发展。

1 基于光纤光栅绝对测量的释放应力法

1.1 释放应力法及其理论依据

混凝土材料在加载——卸载往复作用下应力与应变的关系[1]如图1所示。通过图1中混凝土达到屈服强度前的应力——应变曲线可知卸载时的回弹应变与再次加载到同一应变水平时混凝土的割线模量的乘积是混凝土应力的近似反应, 即:

因此, 依靠混凝土卸载过程中的回弹应变评估其应力水平是可行的。

基于根据回弹应变评定混凝土应力水平的思想, 许多工程技术人员尝试采用“释放应力”的方法来实现测量结构应力大小的目的, 即先测量在役结构当前的应力状态, 再通过某种措施使测点应力回到零状态, 两次测量结果的差即是结构的应力。在使结构“释放应力”的措施上, 许多人采用混凝土强度检测中已十分成熟的做法--钻芯取样法, 这种方法是依据规范标准直接从混凝土构件上钻取直径和长度一定的芯样, 属于微破损检测方法[2,3]。然而, 传统的应变测量方式主要依赖电阻应变片, 电阻应变片的信号处理基于电桥平衡原理, 测量过程不可以中断。若测量过程中出现断路情况, 电桥就必须再次平衡从而清零。于是工程师们在电阻应变片测量的同时, 在测点周围切割裂缝以使测点的释放应力。由于电阻应变片的脆弱性以及现场施工的粗犷性, 操作过程很容易损坏测量线路从而功亏一篑。

1.2 基于光纤光栅的在役结构应力监测

目前, 光纤光栅应变测试技术飞速发展, 已经成为土木工程检测、监测的重要手段。当光波传输通过光纤光栅时, 满足光栅Bragg波长条件的光波矢将被反射, 因而入射光波矢被分为两部分:投射波矢和反射波矢。反射波矢的波长被称为Bragg波长:

公式中, λB为光纤光栅的Bragg波长、neff为光纤光栅的有效折射率、∧是光栅周期。

光纤光栅传感器的传感过程正是通过外界参量 (应变和温度) 对光纤光栅的光栅周期的调制来实现的。当外界参量 (应变和温度) 发生变化时, 光纤光栅的Bragg波长随之发生漂移。忽略光纤光栅对温度与应变的交叉敏感现象, 光纤光栅波长漂移与温度和应变的关系[4]为:

公式中为光纤的有效弹光系数、α为光纤的热膨胀系数、ξ为光纤的热光系数、ε和∆T分别是光纤的轴向应变和温度变化。令:, 则:

公式阐述的就是光纤光栅传感元件的工作原理, 与传统的各类传感器相比光纤光栅具有测量精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、便于组成传感网络、体积小以及绝对测量等独特的优点。“绝对测量”即在整个测量过程中允许切断测量光路, 测量结果不会因此而发生变化。光纤光栅体积小与绝对测量的特点使得光纤光栅非常适合作为“释放应力”法测量结构应力的传感元件。如果能把光纤光栅传感技术与释放应力法结合起来, 将成功地解决在役结构应力评估的问题。

基于上述思想设计基于光纤光栅的在役结构应力检测具体做法如下。

(1) 在测点位置布设好光纤光栅应变传感器 (包括应变测量光栅和温度补偿光栅) 。

(2) 测量以获取结构当前的应力状态信息。

(3) 对传感器及信号传输光纤进行保护, 保证其局限在小于芯柱直径的范围内。

(4) 对测点外围进行钻机切割。当切割深度达到芯柱直径的2倍时, 根据圣维南原理可认为测点的应力已经得到有效的释放, 停止切割。

(5) 清理切割面, 拆开保护, 连接测试线路进行应变测试。

该方法无论是从理论上还是工艺上都是切实可行的。只要小心谨慎地保护好传感器及信号传输光纤保证在切割过程中不对其造成破坏就可以实现测量结构应力的目的。

2 基于光纤光栅的在役结构应力检测的实验研究

为验证释放应力法测量结构应力的可行性评估该方法的准确性, 我们对此进行了实验研究。浇注边长为300mm的混凝土立方体, 并养护21天。利用混凝土框架及500t千斤顶搭建加载装置。混凝土试块放置在准确位置后, 对其表面进行打磨、清理并按图2所示位置在混凝土立方体表面粘贴裸光纤光栅。粘贴裸光栅后对其进行妥善的保护, 本实验中采用的方法为在测点位置粘贴直径为75mm的PVC管并使用J39胶水固定, 将裸光纤光栅保护在PVC管中。本次实验验证了这种方法简单有效, 在今后的应用和研究中值得借鉴。

施加荷载前, 记录裸光纤光栅的谐振波长值;为消除某些不确定因素对应变测试的影响进行两次预加载, 这一程中测量数据表明每次卸载后混凝土都有残余变形。对混凝土立方体加载至某一荷载水平 (由裸光纤光栅监测应变值控制) , 再次记录裸光纤光栅的谐振波长值;把裸光纤光栅放入PVC保护筒并用胶带封闭保护筒, 避免在钻芯过程中裸光纤光栅受到破坏;在保持荷载不变的条件下, 用钻芯机械钻取直径为10cm的混凝土芯柱、钻入深度20cm如图3c) 所示;拆除保护措施, 取出裸光纤光栅的引线, 第三次记录钻芯后芯柱上裸光纤光栅的谐振波长值。完全卸载, 记录裸光纤光栅的谐振波长值。

由表1中钻芯后持荷状态下混凝土立方体应变与加载前、完全卸载后的混凝土立方体应变几乎相等, 由此可知钻芯的方法可有效释放混凝土结构的应变, 释放应力法测量结构的应力切实可行。

摘要：应力测量是桥梁检测、监测的重要内容, 在结构服役后的应力测量仅能量测到结构应力的变化而不能量测到结构应力的大小。本文针对在役混凝土结构的应力测量, 提出了基于光纤光栅的在役结构应力测量技术, 阐述了这种方法的理论依据, 并通过实验验证了其可行性与准确性。本文研究表明基于光纤光栅的在役结构应力测量技术使用设备简单、易于实现且能够以满意的精度测量混凝土结构应力, 是一种有效的混凝土结构应力测量技术。

关键词：光纤光栅,应变测试,健康监测