鄭 銳,劉禮華,吳建峰,蔣婷慧,趙 霞,張昶陽(yáng)

(法爾勝泓昇集團(tuán)有限公司,江蘇 江陰 214433)

光纖光柵(FBG)傳感技術(shù)是橋梁纜索索力監(jiān)測(cè)的重要手段之一[1-6],其植入技術(shù)一直被該領(lǐng)域?qū)W者關(guān)注。盡管目前許多學(xué)者[7-8]已開(kāi)發(fā)金屬封裝、焊接固定光纖光柵傳感器技術(shù)以監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)溫度和承載載荷等,但在橋梁纜索中,纜索鋼絲表面不允許出現(xiàn)焊點(diǎn)且纜索鋼絲易出現(xiàn)腐蝕等問(wèn)題而不宜采用。另外,橋梁纜索的抱箍固定光纖光柵傳感器[9-14]由于安裝困難等原因?qū)е鹿こ虘?yīng)用中也存在諸多問(wèn)題。課題組前期[15-16]就橋梁纜索索力監(jiān)測(cè)用膠接固定的內(nèi)置式光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和測(cè)試性能進(jìn)行研究、討論,發(fā)現(xiàn)該方法簡(jiǎn)單、測(cè)試精度高等優(yōu)勢(shì)。然而,橋梁纜索常暴露于惡劣環(huán)境中,在環(huán)境長(zhǎng)期作用下膠接固定的光纖光柵傳感器測(cè)試的準(zhǔn)確、穩(wěn)定性能對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全、可靠運(yùn)行具有重要的影響。

橋梁纜索結(jié)構(gòu)一般由鋼絲、纏包帶、高密度聚乙烯外保護(hù)層構(gòu)成,為延長(zhǎng)鋼絲的壽命,外保護(hù)層常和索體錨具結(jié)構(gòu)組合而使索體內(nèi)鋼絲與外部腐蝕環(huán)境隔離,故一般認(rèn)為索體內(nèi)環(huán)境主要受溫度影響,尤其是斜拉索結(jié)構(gòu)。然而,溫度是影響膠接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能[17]、傳感器自身性能[18]等的重要因素。因此,研究高溫環(huán)境暴露對(duì)膠接植入光纖光柵傳感器的測(cè)試性能影響為內(nèi)置光纖光柵傳感器連續(xù)、在線索力監(jiān)測(cè)的可靠應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

本文針對(duì)膠接植入的光纖光柵傳感器,通過(guò)高溫暴露測(cè)試(80 ℃)、循環(huán)加卸載、剪切等測(cè)試評(píng)估高溫暴露對(duì)膠接于鋼絲上光纖光柵傳感器的測(cè)試性能影響,以期為內(nèi)置式膠接植入的橋梁纜索索力監(jiān)測(cè)用光纖光柵傳感器的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)以平行鋼絲體系的斜拉索為對(duì)象,選擇斜拉索基本組成鋼絲單元(江蘇法爾勝纜索有限公司,直徑為7 mm、強(qiáng)度級(jí)別為1 960 MPa的高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲)進(jìn)行試驗(yàn),鋼絲的化學(xué)成分主要為(wt.%):C 0.87、Si 0.25、Mn 0.73、P 0.09、S 0.01、Cu 0.05、Cr 0.29,其余為Fe。通過(guò)對(duì)高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲的拉伸試驗(yàn)獲得該鋼絲的屈服強(qiáng)度為1 819 MPa、抗拉強(qiáng)度為2 045 MPa、應(yīng)變?yōu)?7.42%。并將鋼絲剪成長(zhǎng)度為50 cm用于膠接光纖光柵傳感器。

雙組分甲基丙烯酸膠ITW Plexus MA560-1(力學(xué)性能見(jiàn)表1)用于粘接光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)于高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲表面。

表1 結(jié)構(gòu)膠MA560-1的力學(xué)性能

1.2 纜索內(nèi)置光纖光柵傳感器及試樣制備

纜索內(nèi)置式光纖光柵傳感器封裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[9,15-16]。光纖光柵封裝結(jié)構(gòu)中,光柵柵格區(qū)域不填充膠粘劑,而是在靠近光纖引出端采用環(huán)氧膠粘劑(美國(guó)Epoxy Technology生產(chǎn)的PB 133440和133442以10∶1的比例混合,固化溫度為130 ℃,時(shí)間15 min)膠接固定光纖光柵,且在膠接過(guò)程中保證光柵有約0.5 nm至1 nm的預(yù)張量。

圖1 內(nèi)置光纖光柵傳感器封裝結(jié)構(gòu)

封裝結(jié)構(gòu)中,光纖光柵傳感器的支座通過(guò)結(jié)構(gòu)膠膠接固定于鋼絲表面,試樣制備步驟如下[16]:①使用無(wú)水乙醇清洗待膠接鋼絲部位和傳感器支座圓弧面,并風(fēng)干;②采用膠槍和攪拌管將膠粘劑按1∶1的比例均勻攪拌、擠出、涂抹于清洗后的傳感器支座圓弧面。為保證膠層厚度,在膠層表面撒少量直徑為0.25 mm的玻璃球;③將涂有結(jié)構(gòu)膠的傳感器在鋼絲中心位置與鋼絲貼合,用夾具夾持,以保證支座與鋼絲間的膠層厚度。根據(jù)結(jié)構(gòu)膠生產(chǎn)商規(guī)定的固化條件,將制備的試樣置于室溫下保持60 min,制備的試樣如圖2所示(取下蓋板)。且高溫暴露等試驗(yàn)前取下傳感器保護(hù)蓋板。

圖2 光纖光柵傳感器膠接固定于鋼絲試樣

1.3 高溫暴露試驗(yàn)

環(huán)境暴露條件下,橋梁纜索索體內(nèi)溫度一般高于50 ℃[19],實(shí)測(cè)中也發(fā)現(xiàn)70 ℃[20]。為模擬高溫老化環(huán)境(加速老化)下索體鋼絲上膠接植入光纖光柵傳感器的測(cè)試性能,將制備好的試樣(鋼絲上膠接光纖光柵傳感器)放入電熱鼓風(fēng)干燥箱(生產(chǎn)商:天津賽得利斯實(shí)驗(yàn)分析儀器制造廠,型號(hào):101-3AB)保持80 ℃,尾纖引出以連接光纖光柵解調(diào)儀(Micron Optics,sm125),每間隔24 h測(cè)試光纖光柵中心波長(zhǎng)變化,連續(xù)測(cè)試16天。同時(shí),為了了解光纖光柵在高溫下的性能變化,將未封裝光纖光柵(無(wú)預(yù)張)也放在同步放入干燥箱進(jìn)行同步測(cè)試。

1.4 循環(huán)加卸載測(cè)試

為了評(píng)估高溫暴露對(duì)膠接植入光纖光柵傳感器的測(cè)試性能影響,將高溫暴露前后的光纖光柵傳感器-鋼絲膠接試樣進(jìn)行循環(huán)加、卸載測(cè)試,獲得高溫暴露前后鋼絲承載載荷與光纖光柵傳感器波長(zhǎng)關(guān)系。試驗(yàn)采用Instron Legend 2369拉伸機(jī)。根據(jù)斜拉索及其鋼絲力學(xué)性能測(cè)試要求[21-22],每一加、卸載過(guò)程將試樣鋼絲加載至其抗拉強(qiáng)度的70%,卸載至50 N,每樣循環(huán)三次,加載和卸載的速率均為5 mm/min,重復(fù)3個(gè)試樣。加卸載過(guò)程中同時(shí)測(cè)試光纖光柵傳感器波長(zhǎng)變化,且保證環(huán)境溫度相同(～24 ℃)以避免溫度對(duì)光纖光柵傳感器測(cè)試結(jié)果的影響。

1.5 剪切測(cè)試

高溫暴露后傳感器與鋼絲間的膠接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能可能會(huì)發(fā)生改變,進(jìn)而影響承載鋼絲將變形信號(hào)傳遞至FBG傳感器。且鋼絲變形信號(hào)傳遞至傳感器的過(guò)程中,膠接結(jié)構(gòu)主要受剪切載荷影響。因此,高溫暴露前后膠接結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度變化是影響傳感器測(cè)試性能的關(guān)鍵之一。

將高溫暴露且經(jīng)循環(huán)加卸載測(cè)試后的試樣從鋼絲的中間部位剪斷(也即從光纖光柵傳感器兩支座的中間剪斷)。將剪切測(cè)試試樣(長(zhǎng)為25 cm的鋼絲上一端粘結(jié)有傳感器支座)放置于自制的測(cè)試夾具內(nèi)(如圖3所示),利用拉伸機(jī)(Instron Legend 2369)測(cè)試其膠接結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度,拉伸速率為5 mm/min。試樣的剪切載荷為其最大的破斷剪切載荷。每組測(cè)試至少3個(gè)試樣,測(cè)試結(jié)果的平均值作為其剪切載荷。剪切強(qiáng)度則為剪切載荷除以支座與鋼絲膠接的圓弧面積。

圖3 傳感器支座-鋼絲膠接結(jié)構(gòu)剪切測(cè)試

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫暴露對(duì)膠接植入FBG傳感器測(cè)試性能影響研究

圖4為三個(gè)膠接光纖光柵傳感器試樣(分別為試樣A、B、C)在高溫暴露前由循環(huán)加卸載測(cè)試獲得的波長(zhǎng)與載荷關(guān)系。由圖可以看出,傳感器波長(zhǎng)與載荷呈良好的線性關(guān)系,加載和卸載過(guò)程中的載荷-波長(zhǎng)直線平行且分別重合。加載和卸載的載荷與波長(zhǎng)呈直線關(guān)系并分別重合表明膠接FBG傳感器可監(jiān)測(cè)鋼絲的承載;而加、卸載的關(guān)系直線不重合主要是由在加卸載過(guò)程中鋼絲滯回性能導(dǎo)致,該結(jié)果與前期研究結(jié)果[15-16]一致。

圖4 高溫暴露前三個(gè)試樣載荷-波長(zhǎng)關(guān)系

圖5為試樣A、B、C在80 ℃環(huán)境中暴露16天后循環(huán)加卸載測(cè)試的載荷-波長(zhǎng)關(guān)系。其中:圖5(a)的載荷在0～10 kN階段,波長(zhǎng)保持不變;在載荷加載至10 kN后,傳感器的波長(zhǎng)才與鋼絲承受的載荷呈線性關(guān)系,而加、卸載的載荷-波長(zhǎng)關(guān)系也平行且分別重合。對(duì)于試樣B和C(即圖5(b)和5(c)),在載荷至5 kN前后,載荷-波長(zhǎng)的關(guān)系斜率發(fā)生輕微改變。由結(jié)果可發(fā)現(xiàn):高溫暴露后膠接的光纖光柵傳感器在加載載荷較小階段,傳感器波長(zhǎng)與載荷關(guān)系明顯不同于暴露前,尤其是試樣A,其在載荷為0～10 kN范圍時(shí),傳感器波長(zhǎng)幾乎不變。試樣A與試樣B、C間在加載載荷較小階段的差異主要是由于光纖光柵傳感器封裝過(guò)程中因預(yù)張量大小(0.5 nm～1.0 nm)存在差異導(dǎo)致。

圖5 高溫暴露后三個(gè)試樣的載荷-波長(zhǎng)關(guān)系

為了進(jìn)一步了解高溫暴露前后膠接FBG傳感器的測(cè)試性能差異,將高溫暴露前后三個(gè)試樣的典型載荷-波長(zhǎng)關(guān)系(循環(huán)加、卸載的第1個(gè)循環(huán))進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖6所示。由圖6(a)可以看出:在載荷大于10 kN時(shí),高溫暴露后傳感器波長(zhǎng)與載荷關(guān)系直線明顯下移,也即在相同載荷時(shí),高溫暴露后試樣A的光纖光柵傳感器波長(zhǎng)變化量減少,而在載荷小于10 kN時(shí),高溫暴露后的波長(zhǎng)基本不變。對(duì)于圖6(b)和6(c):在載荷大于5 kN時(shí),高溫暴露后載荷與波長(zhǎng)關(guān)系也明顯下移,而在載荷小于5 kN時(shí)傳感器的波長(zhǎng)變化與載荷關(guān)系也明顯與載荷大于5 kN時(shí)不同。也即:鋼絲承受載荷較小時(shí),高溫暴露后膠接光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)與載荷關(guān)系直線的斜率(見(jiàn)圖6中橢圓部分)明顯小于載荷較大時(shí);在鋼絲承受載荷較大時(shí),傳感器的波長(zhǎng)與載荷關(guān)系幾乎平行(斜率相近),但暴露后的載荷-波長(zhǎng)關(guān)系處于未高溫暴露的下方。

圖6 高溫暴露前后三個(gè)試樣的第1次加、卸載的載荷-波長(zhǎng)關(guān)系

纜索索力的光纖光柵監(jiān)測(cè)主要是依靠膠接結(jié)構(gòu)將鋼絲承載變形傳遞至光纖光柵傳感器。因此,高溫暴露后鋼絲承載載荷與傳感器波長(zhǎng)關(guān)系變化可能主要是由高溫暴露下傳感器膠接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、傳感器自身性能或鋼絲性能等改變而引起。為了明確高溫暴露對(duì)鋼絲膠接光纖光柵傳感器測(cè)試性能的影響原因,下面分別對(duì)高溫暴露下膠接結(jié)構(gòu)、鋼絲、光纖光柵的性能變化進(jìn)行分析。

2.2 高溫暴露對(duì)傳感器測(cè)試性能影響因素分析

2.2.1 高溫暴露對(duì)膠接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響

為了了解高溫暴露(80 ℃溫度下保持16 d)對(duì)傳感器支座與鋼絲間的膠接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響,將高溫暴露后的試樣從鋼絲中部(也即兩傳感器支座中間)剪斷,然后測(cè)試膠接結(jié)構(gòu)的剩余剪切載荷。圖7為高溫暴露前后膠接結(jié)構(gòu)的剪切載荷。由圖可知,高溫暴露對(duì)膠接結(jié)構(gòu)的剪切載荷幾乎無(wú)影響。且高溫暴露前后膠接結(jié)構(gòu)的剪切失效模式均為內(nèi)聚失效模式(如圖8所示)。這表明:80 ℃下暴露16 d對(duì)傳感器支座膠接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響不大,也即圖6中高溫暴露引起傳感器波長(zhǎng)與載荷關(guān)系變化可能是由鋼絲或光線光柵傳感器自身變化引起。

圖9 試樣A高溫暴露前后的典型循環(huán)加卸載拉伸曲線

圖7 高溫暴露對(duì)膠接結(jié)構(gòu)剪切載荷影響

圖8 高溫暴露對(duì)膠接結(jié)構(gòu)剪切失效斷面影響

2.2.2 高溫暴露對(duì)鋼絲性能影響

圖9為高溫暴露前后橋梁纜索用鋼絲典型的循環(huán)加卸載拉伸曲線(試樣A)。由圖可以看出,經(jīng)80 ℃暴露16 d后,鋼絲循環(huán)加、卸載的載荷-位移曲線輕微向左移動(dòng),也即在相同載荷下,鋼絲的位移輕微減少,這可能會(huì)導(dǎo)致鋼絲承受相同載荷時(shí),其膠接固定的光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)相應(yīng)減小。盡管鋼絲在80 ℃暴露16 d后其拉伸性能發(fā)生變化,但其不應(yīng)影響波長(zhǎng)與載荷間關(guān)系直線的斜率,而會(huì)導(dǎo)致傳感器波長(zhǎng)與載荷關(guān)系的下移,也即經(jīng)溫度暴露后鋼絲承受相同載荷時(shí)傳感器波長(zhǎng)的變小。

為了進(jìn)一步探索高溫暴露光纖光柵傳感器波長(zhǎng)與載荷關(guān)系發(fā)生變化的原因,下面分析高溫暴露對(duì)光纖光柵自身的中心波長(zhǎng)影響。

2.2.3 高溫暴露對(duì)光纖光柵性能影響

圖10為三個(gè)試樣在80 ℃的烘箱中光纖光柵傳感器中心波長(zhǎng)隨暴露時(shí)間的變化情況。由圖可知,高溫暴露7天三個(gè)試樣的中心波長(zhǎng)基本保持不變,在7 d～9 d,中心波長(zhǎng)均出現(xiàn)明顯下降,且經(jīng)過(guò)9 d～12 d的穩(wěn)定后傳感器的中心波長(zhǎng)繼續(xù)下降,然后再保持穩(wěn)定,也即高溫(80 ℃)暴露促使光纖光柵傳感器的中心波長(zhǎng)經(jīng)歷了穩(wěn)定-下降-再穩(wěn)定-再下降的過(guò)程。由此,高溫暴露后光纖光柵傳感器中心波長(zhǎng)的減少導(dǎo)致鋼絲在承受載荷時(shí)傳感器的中心波長(zhǎng)的相對(duì)值(與未暴露相比)相應(yīng)減少,表現(xiàn)為鋼絲加載載荷與傳感器波長(zhǎng)的關(guān)系下移(如圖6所示)。

圖10 試樣在烘箱中保持不同時(shí)間中心波長(zhǎng)的變化

為了進(jìn)一步了解高溫暴露后光纖光柵傳感器中心波長(zhǎng)下降原因,對(duì)放置于80 ℃環(huán)境下、保持不同時(shí)間的未封裝光纖光柵的中心波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)試。圖11為未封裝光纖光柵暴露于80 ℃下不同時(shí)間,其中心波長(zhǎng)的變化情況。由圖可以看出,高溫暴露7 d未封裝光纖光柵的中心波長(zhǎng)基本保持不變,而后中心波長(zhǎng)增大并保持,直至12 d,再次增大,也即其過(guò)程為:保持穩(wěn)定-波長(zhǎng)增加-再穩(wěn)定-再增加,這與光纖光柵傳感器(封裝的光纖光柵)暴露于高溫后中心波長(zhǎng)變化規(guī)律(圖10)相反。

光纖光柵對(duì)溫度和應(yīng)變載荷非常敏感[23],當(dāng)光柵在長(zhǎng)期載荷作用下自身會(huì)發(fā)生蠕變或應(yīng)力松弛[24]。因此,暴露于溫度環(huán)境的未封裝光纖光柵相當(dāng)于在光纖光柵兩端施加一定的載荷,長(zhǎng)期作用下光纖光柵會(huì)發(fā)生蠕變而使自身中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移(也即增大),pov等也發(fā)現(xiàn)近似現(xiàn)象[25]。而對(duì)于光纖光柵傳感器(為保證傳感器測(cè)試穩(wěn)定、靈敏、可靠等,封裝時(shí)將光纖光柵預(yù)張約0.5 nm～1.0 nm),在溫度暴露一定時(shí)間后,光纖光柵在預(yù)張和溫度的共同作用下因應(yīng)力松弛而引起預(yù)張量減小,進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致其中心波長(zhǎng)減少。

圖11 高溫(80 ℃)暴露時(shí)間對(duì)未封裝光纖光柵中心波長(zhǎng)影響

基于上述結(jié)果,可以推測(cè):80 ℃暴露16 d后,鋼絲承載載荷較小時(shí)光纖光柵傳感器載荷-波長(zhǎng)關(guān)系的斜率小于載荷較大時(shí)(見(jiàn)圖6中橢圓區(qū)域)的主要原因?yàn)楣饫w光柵在應(yīng)力(預(yù)張0.5 nm～1.0 nm)和溫度共同作用下導(dǎo)致光纖光柵的產(chǎn)生大小不等的松弛量,即:試樣A(圖6(a))松弛量遠(yuǎn)大于預(yù)張量,導(dǎo)致鋼絲在10 kN以內(nèi)傳感器波長(zhǎng)基本保持不變;而試樣B和C(即圖6(b)和6(c))松弛量輕微大于或等于預(yù)張,鋼絲在承受載荷小于5 kN時(shí)傳感器的載荷-波長(zhǎng)斜率小于鋼絲承受載荷較大時(shí)。

3 結(jié)論

①高溫暴露后膠接于鋼絲上的FBG傳感器在鋼絲承載較小時(shí)載荷與波長(zhǎng)關(guān)系斜率明顯小于承載較大時(shí);且在鋼絲承載較大時(shí),高溫暴露后的載荷-波長(zhǎng)關(guān)系明顯處于未高溫暴露的下方;②高溫暴露對(duì)傳感器支座與鋼絲間膠接結(jié)構(gòu)的剪切性能影響不大;③高溫暴露后膠接于鋼絲的FBG傳感器測(cè)試性能變化的主要原因是由于光纖光柵在應(yīng)力(預(yù)張)、溫度作用下的應(yīng)力松弛和鋼絲力學(xué)性能的輕微變化導(dǎo)致。