宋占璞

摘 要：文章以海安船閘工程為例，采用三種光纖感測(cè)技術(shù)對(duì)船閘結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究。運(yùn)用拉曼散射光時(shí)域反射技術(shù)對(duì)底板混凝土水化熱的釋放過程進(jìn)行了監(jiān)測(cè);運(yùn)用布里淵光時(shí)域分析技術(shù)和布喇格光纖光柵傳感技術(shù)對(duì)混凝土和鋼筋應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析了混凝土水化熱釋放過程和上部荷載雙重作用下船閘底板混凝土和鋼筋的應(yīng)變過程，并分析了相關(guān)監(jiān)測(cè)結(jié)果的形成機(jī)理。研究成果表明分布式光纖感測(cè)技術(shù)在船閘等大型水工結(jié)構(gòu)施工安全監(jiān)測(cè)中具有很大的優(yōu)勢(shì)，值得應(yīng)用推廣。

關(guān)鍵詞：船閘工程;光纖監(jiān)測(cè);混凝土;結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TV7+X171.4? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）01-0051-04

引言

大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在以船閘、大壩為代表的水利水運(yùn)工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。由于船閘工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大，需要在施工期間對(duì)其關(guān)鍵部位的應(yīng)變、應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1]。監(jiān)測(cè)閘首結(jié)構(gòu)施工過程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變，可以對(duì)閘首結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量的準(zhǔn)確評(píng)估，對(duì)運(yùn)行期的維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，也為類似船閘的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐[2，3]。

目前，對(duì)于船閘工程施工期監(jiān)測(cè)所采用的相關(guān)技術(shù)主要有沉降儀、測(cè)斜儀、全站儀、水準(zhǔn)儀等[4]。這些監(jiān)測(cè)技術(shù)均屬于點(diǎn)式測(cè)量，測(cè)點(diǎn)分散，也很難對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。近年來光纖感測(cè)技術(shù)作為分布式監(jiān)測(cè)手段，已越來越多地應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)測(cè)和健康診斷。分布式光纖感測(cè)技術(shù)屬于無源感測(cè)技術(shù)，采用光信號(hào)感測(cè)具有本質(zhì)安全、抗電磁干擾、防水防潮、抗腐蝕和耐久性長(zhǎng)等特點(diǎn)[5]。另外，該技術(shù)采用光纖傳輸，傳輸損耗小，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸和自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制。相關(guān)研究人員在土木工程、水利工程和航空航天等領(lǐng)域已經(jīng)開展了廣泛的光纖感測(cè)技術(shù)理論和應(yīng)用研究，取得了一系列研究成果：施斌等[6，7]將分布式感測(cè)光纖黏貼在隧道混凝土表面對(duì)其進(jìn)行健康診斷，Matta等[8]將傳感光纖黏貼在鋼結(jié)構(gòu)表面以監(jiān)測(cè)鋼橋應(yīng)變，Zhou等[9]將傳感光纖加工成復(fù)合筋的形式埋入鋼筋混凝土梁內(nèi)部并隨其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。此外，毛江鴻等[10]開展了光線感測(cè)技術(shù)在結(jié)構(gòu)應(yīng)變及開裂監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究，但其研究?jī)H限理論論證及室內(nèi)試驗(yàn)，缺乏實(shí)際工程驗(yàn)證。

本文以江蘇省海安船閘為依托工程，采用三種光纖感測(cè)技術(shù)，包括布里淵光時(shí)域分析技術(shù)（Brillouin Optical Time-domain Analysis，簡(jiǎn)稱BOTDA），拉曼散射光時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)（Raman Optical Time-domain Refectometry，簡(jiǎn)稱ROTDR）和布喇格光纖光柵技術(shù)（Fiber Bragg grating，簡(jiǎn)稱FBG）分別對(duì)船閘閘首底板在溫度、受荷作用下混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變信息，閘首底板混凝土澆筑過程中水化熱的釋放和底板內(nèi)部鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變信息進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，取得了一些新的認(rèn)識(shí)。

1光纖感測(cè)技術(shù)原理

本次研究采用了BOTDA、ROTDR和FBG三種光纖感測(cè)技術(shù)，它們具有各自的感測(cè)原理和功能。BOTDA技術(shù)基于受激布里淵散射原理，利用了光纖中的布里淵散射光頻率變化量與光纖軸向應(yīng)變、環(huán)境溫度之間的線性關(guān)系來實(shí)現(xiàn)傳感[6，7]。ROTDR測(cè)溫技術(shù)以光脈沖來照射纖芯，光波發(fā)生拉曼散射，散射光中斯托克斯光和反斯托克斯光的強(qiáng)度比和溫度具有線性關(guān)系[5]。FBG具有良好的波長(zhǎng)選擇特性，滿足布喇格衍射條件的入射光（波長(zhǎng)為lB）在FBG處被耦合反射，反射光譜在FBG中心波長(zhǎng)lB處出現(xiàn)峰值，布喇格衍射條件可表示為[11]。應(yīng)變和溫度的變化量與反射光中心波長(zhǎng)lB的位移有良好的線性關(guān)系，通過檢測(cè)反射光中心波長(zhǎng)的漂移，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度和結(jié)構(gòu)應(yīng)變的監(jiān)測(cè)。

2監(jiān)測(cè)方案

2.1船閘概況

海安船閘位于江蘇省南通市海安縣，采用雙線230×23×4.0（m）上、下閘首對(duì)齊布置，兩閘中心距60m，閘首采用整體剛度大抗震性能好的鋼筋混凝土塢式結(jié)構(gòu)，閘首邊墩采用空箱式結(jié)構(gòu)，左右空箱底部設(shè)有輸水廊道。

2.2 監(jiān)測(cè)方案

2.2.1混凝土水化熱溫度監(jiān)測(cè)

針對(duì)閘首底板結(jié)構(gòu)尺寸大、混凝土分塊澆筑的特點(diǎn)，本次研究采用分布式ROTDR測(cè)溫技術(shù)與點(diǎn)式FBG測(cè)溫技術(shù)相結(jié)合的方式監(jiān)測(cè)底板混凝土水化熱溫度：分布式測(cè)溫傳感光纖采用U字型回路布設(shè)于底板中部，U字型間距3m，距表層1.5m處，監(jiān)測(cè)底板混凝土內(nèi)部水化熱溫度變化過程;FBG溫度計(jì)與結(jié)構(gòu)上、下表層鋼筋綁扎安裝，監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)表層混凝土溫度。底板結(jié)構(gòu)設(shè)置后澆帶，橫向隔離為三個(gè)體積相近的塊體，塊體編號(hào)及光纖傳感器布設(shè)如圖1所示。

2.2.2 混凝土和鋼筋應(yīng)變監(jiān)測(cè)

用BOTDA技術(shù)分布式纖維加強(qiáng)筋光纖監(jiān)測(cè)底板上、下表層混凝土在閘首施工過程中的應(yīng)變;采用FBG鋼筋應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)底板上、下表層鋼筋在閘首施工過程中的應(yīng)變，傳感器的技術(shù)參數(shù)如表2所示。應(yīng)變傳感光纖和鋼筋應(yīng)力計(jì)垂直于船閘軸向安裝，監(jiān)測(cè)底板結(jié)構(gòu)鋼筋受力及底板撓曲變形，位置示意見圖1。

2.2.3 混凝土裂縫監(jiān)測(cè)

閘首輸水廊道上導(dǎo)角位置混凝土受上部荷載及流水沖刷作用最易發(fā)育裂縫。本次研究采用BOTDA技術(shù)將纖維加強(qiáng)筋光纜沿輸水廊道上導(dǎo)角混凝土表層，監(jiān)測(cè)該位置混凝土應(yīng)變，結(jié)合混凝土材料的極限抗拉強(qiáng)度判斷混凝土裂縫發(fā)育情況，傳感器安裝位置示意見圖1。

3監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 混凝土水化熱溫度

閘首中底板結(jié)構(gòu)長(zhǎng)14.8m，寬29.2m，高3m，澆筑混凝土1042m3，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)。大體積混凝土由于水泥水化釋放水化熱，結(jié)構(gòu)內(nèi)部和表層散熱條件不同形成內(nèi)外溫差，由于內(nèi)外約束存在，混凝土不能自由變形，在水化熱作用下產(chǎn)生溫度應(yīng)力。圖2為混凝土澆筑完成之后ROTDR系統(tǒng)獲得的內(nèi)部溫度場(chǎng)變化過程云圖：

從圖中可以看出，混凝土澆筑完成之后，水化熱反應(yīng)迅速，1-5天底板內(nèi)部溫度快速上升，至第5天，底板混凝土內(nèi)部區(qū)域溫度達(dá)到最大值。混凝土內(nèi)部溫度升高之后，內(nèi)部熱量向表層傳遞散熱;第7天之后，內(nèi)部溫度開始緩慢下降。至澆筑完成第14天，混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)下降至平穩(wěn)階段，至養(yǎng)護(hù)期結(jié)束，混凝土內(nèi)部溫度降至環(huán)境溫度。

圖3是光柵FBG傳感器監(jiān)測(cè)的底板上、下表層溫度與ROTDR測(cè)得的底板中心溫度差值。由圖可知，上表層混凝土溫度澆筑完成初期下降較快，隨后中心溫度向表層消散，上表層臨空，散熱條件較好，下表層附著地基，散熱條件不理想，說明底板大體積混凝土水化熱主要通過上表層散熱。

3.2 混凝土應(yīng)變

基于BODTA技術(shù)的閘首底板混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，測(cè)得船閘工程閘首結(jié)構(gòu)封鉸之后、邊墩后土體回填完成和船閘通航之后閘首底板上、下表層的混凝土應(yīng)變變化，見圖4。

3.3 鋼筋應(yīng)變

閘首底板FBG鋼筋應(yīng)力計(jì)采用與主筋串聯(lián)焊接的方式安裝，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土澆筑完成之后2#底板中鋼筋的應(yīng)變，監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖5（a）。分析上、下表層鋼筋受力作用，

4 結(jié)論

（1）采用ROTDR和FBG相結(jié)合的分布式光纖感測(cè)技術(shù)，能完整監(jiān)測(cè)到閘首底板大體積混凝土水化熱的釋放過程。

（2）采用BOTDA與ROTDR相結(jié)合，準(zhǔn)確地獲取了船閘閘首底板結(jié)構(gòu)在施工過程中混凝土的應(yīng)變分布。

（3）采用FBG準(zhǔn)分布式光柵傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)了船閘閘首底板中鋼筋的應(yīng)力變化過程。

本次采用光纖感測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)船閘結(jié)構(gòu)施工過程的結(jié)果表明：根據(jù)被測(cè)物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用三種分布式光纖感測(cè)技術(shù)各自優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，可形成船閘分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)體系，可實(shí)現(xiàn)船閘整體和局部的精細(xì)化監(jiān)測(cè)。

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基金項(xiàng)目：江蘇省青年基金項(xiàng)目（SBK2017040181）