覃荷瑛，沈全喜，鐘英杰

(1.廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

預(yù)應(yīng)力混凝土、橋梁拉索(如斜拉索 、吊桿和系桿)、纜索等索體結(jié)構(gòu)中，核心承重構(gòu)件均為鋼絞線，其造價約為橋梁整體的25%～30%。由于橋梁的構(gòu)造設(shè)計、環(huán)境腐蝕以及服役期間處于高應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，鋼絞線容易發(fā)生應(yīng)力損失[1]，而更換索體的費用高昂，也會造成部分完好索體的浪費。鑒于此，鋼絞線進(jìn)行健康監(jiān)測已經(jīng)成為工程界亟待解決的問題。

通過拉索應(yīng)力評估工程的安全情況是便捷、高效的方法。傳統(tǒng)的應(yīng)力監(jiān)測方法[2-3]主要包括頻率法、磁通量法、電測式傳感器(電阻應(yīng)變計式、鋼弦式等)測量法，但對于長度較短的拉索，頻率法的測量精度很難滿足要求，而對于已服役構(gòu)件，磁通量法難以獲得測量零點，而技術(shù)相對成熟的電測式傳感器易受溫度、濕度等的影響，無法滿足對工程進(jìn)行長期在線健康監(jiān)測的要求。

光纖光柵(FBG)傳感器是近期發(fā)展起來的一種智能新型傳感元件[4-5]。與傳統(tǒng)傳感器相比較，F(xiàn)BG傳感器具有顯著的優(yōu)勢，如抗電磁干擾、耐腐蝕、能夠準(zhǔn)分布布置、構(gòu)造簡單等。光纖光柵是以SiO2為主要原料，在施工過程中容易發(fā)生脆斷。光纖光柵的極限拉應(yīng)變約為 4 500×10-6，而對于工程中的拉索，其極限拉應(yīng)變能達(dá)到 8 000×10-6。顯然，如果直接將光纖光柵耦合在拉索上，不能滿足拉索的全壽命監(jiān)測。為了解決上述難題，本文提出將光纖光柵傳感器以螺旋傾斜的方式耦合在鋼絞線中心絲上，并通過靜載試驗研究其實際效果。

1 光纖光柵傳感器基本原理

當(dāng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變發(fā)生變化時，F(xiàn)BG傳感器反射周期也會隨之改變。其波長變化量Δλ[6-7]與軸向應(yīng)變εFBG之間的關(guān)系為

(1)

式中：n為折射率；P11,P12為彈光效應(yīng)系數(shù)；ν為泊松比；λ為波長；kFBG為應(yīng)變靈敏度。

2 螺旋傾斜復(fù)合技術(shù)的理論分析

采用鋼絞線中心絲作為基體材料研究螺旋傾斜復(fù)合技術(shù)[8]。裸光纖光柵與中心絲以螺旋傾斜方式粘貼，如圖1所示。

圖1 光纖光柵螺旋示意

鋼絞線中心絲的軸向拉伸應(yīng)變ε與εFBG的關(guān)系為

εFBG=(cos2θ-νsin2θ)ε=kε

(2)

式中：θ為光纖光柵傾斜角度；k為FBG傳感器應(yīng)變與基體應(yīng)變比。

假定光柵初始長度為L1，拉伸后長度為L2，則

εFBG=(L2-L1)/L1

(3)

而單位螺距的光柵應(yīng)變εfiber為

εfiber=(S2-S1)/S1

(4)

式中：S1，S2分別為光柵拉伸前后單位螺距內(nèi)光柵的長度。

由于εfiber=εFBG，可由單位螺距內(nèi)光柵的應(yīng)變來取代基體材料的應(yīng)變。由圖1(b)可得變形前邊長a1和b1關(guān)系為

式中：h為單位螺距的水平長度；r為內(nèi)部中心絲半徑。

鋼絞線變形后，其r與h都有改變，并且它們的軸向拉伸應(yīng)變ε與橫向應(yīng)變ε′關(guān)系式為

式中：Δh為單位螺距變化量;Δr為內(nèi)部中心絲半徑變化量。

鋼絞線變形后，兩邊長變化為a2和b2，即

a2=h(1+ε)=a1(1+ε)=S1cosθ(1+ε)

(9)

b2=2πr(1-νε)=b1(1-νε)=S1sinθ(1-νε)

(10)

依據(jù)幾何關(guān)系，變形后S2為

(11)

聯(lián)立式(4)、式(11)可得

由式(12)可知，光纖光柵應(yīng)變εFBG與鋼絞線應(yīng)變ε、泊松比ν和傾斜螺旋角θ滿足一定的函數(shù)關(guān)系。

取一微元段分析，并將式(2)代入式(1)可得

(13)

3 自感知鋼絞線張拉試驗

3.1 試件設(shè)計及加載

圖2 中心絲的螺旋凹槽

在內(nèi)部中心絲上設(shè)置深0.5 mm、寬1.0 mm的螺旋凹槽，傾斜傾角取為0°和27°，如圖2所示。將FBG傳感器封裝在凹槽中，待粘貼牢固后，對鋼絞線進(jìn)行加載試驗。

試驗采用1×7的1860級鋼絞線，外徑為15.2 mm，光柵分析儀型號為Agilent 86142B光譜儀，波長范圍為 1 525～1 565 nm，采樣頻率為1 Hz，分辨率為1 pm，張拉臺座型號為YCM100B-200穿心千斤頂張拉臺，如圖3 所示。

圖3 自感知鋼絞線張拉試驗

以傾角為參數(shù)，分別設(shè)計2組(共6根)試樣進(jìn)行研究。0°傾角作為Ⅰ組；27°傾角作為Ⅱ組。

試驗加載：①首先記錄FBG傳感器的原始波長λ0；②預(yù)加10 kN荷載使鋼絞線與錨具夾持固定，并設(shè)置千分表記錄鋼絞線的伸長量；③以10 kN為單位，逐級施加荷載，持續(xù)加載5 min，并記錄每級荷載相應(yīng)的千分表讀數(shù)和波長；④當(dāng)FBG傳感器失效時，記錄光柵破壞時的荷載、鋼絞線伸長量和波長變化值，最后加載到鋼絞線斷裂，記錄極限荷載。

3.2 試驗結(jié)果及分析

表1 試驗數(shù)據(jù)

試驗所得FBG傳感器的應(yīng)變靈敏度實測值與理論值的關(guān)系見表2。

表2 FBG傳感器應(yīng)變靈敏度實測值與理論值的關(guān)系

由表1和表2可知:①光柵對鋼絞線的應(yīng)變具有良好的跟隨性。②FBG傳感器粘貼角度為0°時，其應(yīng)變靈敏度為0.001 20 nm /10-6，光柵的應(yīng)變與鋼絞線的應(yīng)變相同;當(dāng)光柵斷裂時,其波長變化7 nm左右，F(xiàn)BG傳感器能監(jiān)測的應(yīng)變值大概在 6 000× 10-6左右，且光柵的極限承載力與鋼絞線的極限破斷力之比約為0.62。③FBG傳感器粘貼角度為27°時，其應(yīng)變靈敏度減小為0.000 88 nm/ 10-6;當(dāng)光柵斷裂時，其波長變化也近乎7 nm，此時FBG傳感器監(jiān)測的應(yīng)變值已經(jīng)達(dá)到 8 000× 10-6，且光柵的極限承載力與鋼絞線的極限破斷力之比約為0.87。④隨著FBG傳感器傾斜角度的增大，靈敏度隨之降低，其監(jiān)測量程也逐漸增大，能滿足使用要求。

4 結(jié)論

1)通過理論分析和試驗研究，提出一種降低FBG傳感器靈敏度的新方法——螺旋傾斜減敏技術(shù)。從理論的角度證明了螺旋傾斜可以降低FBG傳感器應(yīng)變靈敏度，而試驗表明將光纖光柵與鋼絞線進(jìn)行耦合，能夠?qū)︿摻g線的張拉應(yīng)變進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測，并且具有很好的線性相關(guān)性，可實現(xiàn)對鋼絞線受力狀態(tài)的正確評估。

2)螺旋傾斜式FBG傳感器傾斜27°時比0°時所能監(jiān)測的應(yīng)變靈敏度提高了30%，而且FBG傳感器所能跟隨的極限破斷力也相應(yīng)提高了38%。

3)采用螺旋傾斜式光柵復(fù)合技術(shù)，降低了光纖光柵所承受的拉應(yīng)變，從而降低了其應(yīng)變靈敏度，實現(xiàn)光纖光柵在小拉力的情況下對大應(yīng)變的測量，滿足結(jié)構(gòu)全壽命周期監(jiān)測，此光纖光柵減敏技術(shù)能適應(yīng)大變形構(gòu)件，該研究也為其他監(jiān)測問題(如拉索、預(yù)應(yīng)力筋等)提出了新的思路。