王淬礪

(福州市公路局長(zhǎng)樂(lè)分局，福建福州350200)

結(jié)構(gòu)變形是反映橋梁結(jié)構(gòu)整體性能的宏觀指標(biāo)，是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容。目前，絕大多數(shù)的監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效的監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)在溫度變化、基礎(chǔ)沉降、混凝土收縮徐變和運(yùn)營(yíng)車輛荷載作用下的變形和損傷[1,2]。然而在地震發(fā)生期間，因地面的強(qiáng)烈震動(dòng)導(dǎo)致傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備(GPS技術(shù)、加速度傳感器)缺少穩(wěn)定的參考點(diǎn)而失效；應(yīng)變片傳感器由于耐久性能較差、易受外界電磁干擾和長(zhǎng)期不可靠性，使其不適用于結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測(cè)。光纖布拉格光柵(FBG)傳感器抗電磁干擾能力強(qiáng)、電絕緣性能好、耐腐蝕、體積小、重量輕、傳輸容量大等優(yōu)點(diǎn)，且同時(shí)具備靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試的能力，在橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景[3,4]。本文以一簡(jiǎn)支混凝土梁為試驗(yàn)研究對(duì)象，采用長(zhǎng)標(biāo)距FBG傳感技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)研究。

1 基于分布式長(zhǎng)標(biāo)距FBG傳感器的監(jiān)測(cè)原理

1.1 長(zhǎng)標(biāo)距FBG傳感器

單個(gè)長(zhǎng)標(biāo)距FBG傳感器構(gòu)造如圖1所示，封裝材料采用抗腐材料玄武巖纖維材料(BFRP)，通過(guò)FBG傳感器測(cè)得的是標(biāo)距范圍內(nèi)的平均應(yīng)變。采用玄武巖纖維材料進(jìn)行封裝的FBG傳感器，其耐久性和穩(wěn)定性更加優(yōu)異，適合在惡劣的野外環(huán)境下使用。此外，長(zhǎng)標(biāo)距FBG傳感器可進(jìn)行串聯(lián)，單根光纖便可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)長(zhǎng)標(biāo)距FBG傳感器的數(shù)據(jù)采集和傳輸工作，便于進(jìn)行分布式布設(shè)。

1.2 應(yīng)變監(jiān)測(cè)

FBG全稱Fiber Bragg Grating，即光纖光柵，在普通光纖內(nèi)形成的空間相位周期性分布的光柵。當(dāng)一束寬帶光源經(jīng)過(guò)FBG時(shí)，滿足Bragg條件的波長(zhǎng)將產(chǎn)生反射，其余波長(zhǎng)透過(guò)FBG將繼續(xù)傳輸。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時(shí)，在外力的作用下，機(jī)械伸長(zhǎng)會(huì)使光柵柵格發(fā)生變化，同時(shí)彈光效應(yīng)還使得光纖材料的折射率發(fā)生變化，F(xiàn)BG中心波長(zhǎng)為1 300 nm，每個(gè)με將導(dǎo)致1.01 pm的波長(zhǎng)改變量；當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)周圍的溫度發(fā)生變化時(shí)，由于光纖材料的熱漲和熱光效應(yīng)，會(huì)使得其折射率發(fā)生變化，溫度每變化1 ℃，F(xiàn)BG中心波長(zhǎng)改變量為9.1 pm。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)每段FBG反射光波長(zhǎng)的變化量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變和溫度擾動(dòng)的監(jiān)測(cè)。

1.3 位移監(jiān)測(cè)

1860年，奧托·莫爾首先提出了一種共軛梁法，該方法假設(shè)一與實(shí)際梁等長(zhǎng)的虛梁(共軛梁)，并將實(shí)際梁的曲率分布等效成等值的虛荷載施加到共軛梁上，則共軛梁上任一點(diǎn)處的彎矩值與實(shí)際梁相應(yīng)位置的擾度值是相等的，即可用測(cè)得的應(yīng)變分布和實(shí)際中和軸高度計(jì)算出梁的撓度分布。本文僅考慮簡(jiǎn)支梁的位移監(jiān)測(cè)，簡(jiǎn)支梁的共軛梁即為其本身，計(jì)算模型如圖2所示。由共軛梁法的定義可知：

(1)

其中，K(x)為實(shí)際梁曲率分布；M(x)為實(shí)際梁彎矩分布；ε(x)為實(shí)際梁應(yīng)變分布；EI為梁截面抗彎剛度；z為實(shí)際梁上傳感器的位置到截面中和軸的距離；q′(x)為共軛梁等效荷載分布。

則梁上第i單元的曲率為：

(2)

(3)

將l=L/n代入公式可以得到實(shí)際梁對(duì)應(yīng)點(diǎn)變形vj：

(4)

(5)

2 基于長(zhǎng)標(biāo)距FBG傳感技術(shù)的混凝土梁變形識(shí)別

2.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示，模型混凝土強(qiáng)度為C30，配筋采用HRB335熱軋鋼筋。采用四點(diǎn)彎曲加載的方式，加載點(diǎn)位于兩端支座間的三分點(diǎn)處，采用逐級(jí)加載的模式，每級(jí)荷載為10 kN。沿著梁縱向以支座處和加載點(diǎn)為分界將其劃分為3個(gè)長(zhǎng)度單元，分別為單元1～單元3(E1～E3)，單元長(zhǎng)度均為600 mm。在梁底部布設(shè)FBG，錨固點(diǎn)位于單元分界線的位置。同時(shí)在梁中點(diǎn)處和加載點(diǎn)處安裝了3個(gè)位移計(jì)(P1～P3)。對(duì)于每一級(jí)加載，F(xiàn)BG傳感器重復(fù)測(cè)量5次，并取平均值作為該級(jí)荷載下的測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.2 應(yīng)變測(cè)量結(jié)果

圖4a)～圖4c)分別給出了通過(guò)FBG傳感器得到的混凝土梁各單元應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果?？梢?jiàn)隨著荷載逐級(jí)的增大，混凝土底部的應(yīng)變逐漸增大。圖中荷載應(yīng)變曲線存在兩個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)荷載等級(jí)小于40 kN～50 kN時(shí)，混凝土梁處于線彈性狀態(tài)，其底部應(yīng)變量隨著荷載的增大而略有增大；當(dāng)荷載等級(jí)達(dá)到50 kN時(shí)，荷載應(yīng)變曲線的斜率明顯減小，這說(shuō)明此時(shí)混凝土梁底部發(fā)生了開(kāi)裂現(xiàn)象，導(dǎo)致應(yīng)變的增長(zhǎng)速率增大，此外應(yīng)變量隨著荷載的增大幾乎保持線性增大；當(dāng)荷載等級(jí)達(dá)到150 kN時(shí)，荷載應(yīng)變曲線的斜率進(jìn)一步的減小，此時(shí)應(yīng)變隨著荷載的增大而極速增大，這說(shuō)明此時(shí)梁底部受拉區(qū)的縱向鋼筋發(fā)生了屈服，若進(jìn)一步加載混凝土梁將發(fā)生全面破壞。通過(guò)上面分析可知，荷載應(yīng)變曲線斜率的變化能夠準(zhǔn)確的反映混凝土梁在不同荷載作用下的工作狀態(tài)。

2.3 變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

假設(shè)混凝土梁的中和軸位于截面中間位置，即中和軸高度y=150 mm。在試驗(yàn)過(guò)程中，僅在梁底面布設(shè)了FBG傳感器。把各單元監(jiān)測(cè)到的平均應(yīng)變、中和軸高度以及FBG傳感器標(biāo)距長(zhǎng)度代入式(4)，則可以得到各級(jí)荷載下梁不同位置處的變形，如圖5所示，為了進(jìn)行對(duì)比分析，圖中還給出了通過(guò)位移計(jì)實(shí)測(cè)得到的變形結(jié)果。在荷載等級(jí)較小時(shí)，混凝土底部未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，此時(shí)各單元的應(yīng)變監(jiān)測(cè)值相對(duì)較小，由FBG傳感器監(jiān)測(cè)的變形與位移計(jì)實(shí)測(cè)的結(jié)果存在較大的差別。當(dāng)荷載等級(jí)達(dá)到50 kN時(shí)，混凝土底部出現(xiàn)了開(kāi)裂現(xiàn)象，此時(shí)FBG傳感器變形監(jiān)測(cè)結(jié)果與位移計(jì)實(shí)測(cè)結(jié)果的差別明顯減小，且各單元的位移隨著荷載的增加而線性增大。隨著荷載等級(jí)的進(jìn)一步增長(zhǎng)，裂縫寬度也隨之不斷增大，使得FBG傳感器的應(yīng)變重分布現(xiàn)象越發(fā)明顯，從而對(duì)位移監(jiān)測(cè)的精度產(chǎn)生一定程度上的影響。因此在實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中，傳感器錨固點(diǎn)的位置盡可能避開(kāi)裂縫最易開(kāi)展的位置。當(dāng)荷載超過(guò)90 kN之后，混凝土梁進(jìn)入全面破壞狀態(tài)，此時(shí)中和軸位置迅速上移，中和軸高度恒定的假定也將失效。若繼續(xù)假定中和軸位于截面中間位置，必將一定程度上導(dǎo)致變形監(jiān)測(cè)結(jié)果大于實(shí)際變形，且監(jiān)測(cè)誤差隨著荷載的增大不斷增大。當(dāng)荷載達(dá)到150 kN時(shí)，P1～P3點(diǎn)變形監(jiān)測(cè)誤差分別達(dá)到了30%,43%和12%。

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用高耐久性的玄武巖纖維材料對(duì)FBG進(jìn)行了封裝，并利用分布式FBG傳感系統(tǒng)獲取了分布式應(yīng)變，進(jìn)而采用基于共軛梁法的變形計(jì)算算法實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)。以一簡(jiǎn)支混凝土梁為研究對(duì)象進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明由長(zhǎng)標(biāo)距FBG傳感器所測(cè)應(yīng)變計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)變形與位移計(jì)的實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好；在實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中，傳感器錨固點(diǎn)的位置盡可能避開(kāi)裂縫最易開(kāi)展的位置。