師 琪，任 亮，尤潤(rùn)州，王嘉健

(1.大連理工大學(xué)光電工程與儀器科學(xué)學(xué)院，遼寧大連 116024；2.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧大連 116024)

0 引言

螺栓連接具有拆卸簡(jiǎn)單、連接可靠、承載力高等優(yōu)點(diǎn)，是日常生活中最常見(jiàn)的連接方式，被廣泛應(yīng)用于各種大型工程應(yīng)用中。然而，螺栓連接部位在一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)體系中屬于較為薄弱的部分，在實(shí)際工程應(yīng)用中由于振動(dòng)、荷載的存在，以及結(jié)構(gòu)服役過(guò)程中的各種其他因素綜合作用下，會(huì)使得螺栓產(chǎn)生軸向松動(dòng)[1-3]，從而對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響，降低結(jié)構(gòu)可靠度和穩(wěn)定性，產(chǎn)生較大的安全隱患。因此，需要對(duì)螺栓的預(yù)緊力進(jìn)行監(jiān)測(cè)提高結(jié)構(gòu)可靠性，保證結(jié)構(gòu)安全。

有關(guān)螺栓預(yù)緊力的監(jiān)測(cè)，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多相關(guān)研究。近年來(lái)，隨著各種技術(shù)的發(fā)展，提出了各種螺栓預(yù)緊力的監(jiān)測(cè)方式[4-6]，常見(jiàn)的幾種監(jiān)測(cè)方式有：利用各種結(jié)構(gòu)參數(shù)分析結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)分析法[7-10]；將壓電材料粘貼在螺栓上，利用壓電材料的特性變化來(lái)監(jiān)測(cè)力的壓電阻抗法[11-14]；利用超聲波的飛行時(shí)間、回波等對(duì)螺栓進(jìn)行檢測(cè)的聲彈效應(yīng)法[15-19]；利用壓電材料驅(qū)動(dòng)和傳感特性的壓電有源傳感法[20-24]等。但是，這幾種方法存在無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)環(huán)境易受現(xiàn)場(chǎng)施工情況限制等問(wèn)題。使用光纖光柵(FBG)傳感器能夠有效地解決實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，利用光纖光柵傳感器與螺栓結(jié)合進(jìn)行螺栓預(yù)緊力監(jiān)測(cè)是目前應(yīng)用在螺栓預(yù)緊力上的新監(jiān)測(cè)方法[25]。

FBG傳感器因體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)[26-30]，大量應(yīng)用證明了利用光纖光柵制作的各類傳感器能夠有效地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。黃永闊[31]等基于耐高溫金屬封裝的光纖光柵傳感器提出了高溫法蘭螺栓預(yù)緊力的測(cè)量方法，為應(yīng)用光纖光柵傳感器測(cè)量螺栓預(yù)緊力提供了參考。但是，目前關(guān)于FBG傳感器測(cè)量螺栓預(yù)緊力的研究還較為缺乏，因此，本文的研究目的是開(kāi)發(fā)出一種基于FBG傳感器技術(shù)能夠精確測(cè)量螺栓預(yù)緊力的智能螺栓。在螺栓關(guān)于中軸對(duì)稱的兩側(cè)表面分別沿軸向埋設(shè)一只FBG微型傳感器，用于測(cè)量螺栓的表面應(yīng)力，進(jìn)而通過(guò)測(cè)量結(jié)果判斷螺栓在周?chē)h(huán)境中的應(yīng)力狀態(tài)。智能螺栓的基礎(chǔ)測(cè)量性能通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，分析試驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題。最后，將智能螺栓應(yīng)用于實(shí)際工程，并對(duì)實(shí)際采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得出相應(yīng)結(jié)論。

1 智能螺栓設(shè)計(jì)原理

1.1 智能螺栓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能螺栓的設(shè)計(jì)圖如圖1所示，圖中1號(hào)、2號(hào)傳感器為微型應(yīng)變傳感器，3號(hào)傳感器為溫度傳感器，3個(gè)傳感器均埋設(shè)在螺栓頂部作出的2個(gè)對(duì)稱的槽孔中，槽孔直徑為4 mm。2個(gè)微型應(yīng)變傳感器的安裝位置不同，分別位于距離螺栓頂部50 mm和250 mm處，2個(gè)微型傳感器能夠測(cè)量螺栓軸向不同位置的應(yīng)力，同時(shí)可以綜合2個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)近似計(jì)算螺栓預(yù)緊力。

圖1 智能螺栓設(shè)計(jì)圖

當(dāng)螺栓連接2個(gè)部件時(shí)，沿著螺栓的軸向會(huì)產(chǎn)生拉力，螺栓兩側(cè)埋設(shè)的應(yīng)變傳感器能夠根據(jù)波長(zhǎng)的變化量計(jì)算出螺栓受到的應(yīng)力。螺栓有螺紋部分及中間連接處不適合安裝傳感器，安裝在螺栓前半部分能夠使對(duì)傳感器起到保護(hù)作用并且保障監(jiān)測(cè)結(jié)果的有效性，所以智能螺栓槽孔長(zhǎng)度設(shè)置為300 mm，其余部分不做改變。固定好傳感器后，用環(huán)氧樹(shù)脂填充滿整個(gè)槽孔，目的是對(duì)傳感器進(jìn)行保護(hù)和固定。封裝完成后的智能螺栓螺栓如圖2(a)所示，由于螺栓整體較長(zhǎng)，將埋設(shè)有傳感器的部分放大，得到圖2(b)。

(a)螺栓實(shí)物圖

(b)埋設(shè)傳感器實(shí)物圖圖2 智能螺栓實(shí)物圖

1.2 智能螺栓軸力計(jì)算方法

螺栓受到軸向的荷載時(shí)，軸向力會(huì)引起軸向應(yīng)變，同一個(gè)螺栓內(nèi)的2個(gè)應(yīng)變傳感器的應(yīng)變計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：ε1，ε2分別為1號(hào)微型傳感器以及2號(hào)微型傳感器的應(yīng)變；E為螺栓的楊氏模量，A為螺栓在粘貼傳感器處的橫截面積；F為軸向力。

傳感器的波長(zhǎng)和應(yīng)變之間的關(guān)系表示為：

ε1=k1Δλ1

(3)

ε2=k2Δλ2

(4)

式中：k1,k2為應(yīng)變傳遞系數(shù)；Δλ1，Δλ2分別為1號(hào)微型傳感器、2號(hào)微型傳感器的波長(zhǎng)變化量。

通過(guò)式(2)和式(4)聯(lián)立，可得出荷載力與波長(zhǎng)變化之間的關(guān)系：

FN=KΔλ

(5)

式中K=kEA。

同一個(gè)螺栓中埋設(shè)的2個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器，2個(gè)傳感器分布在不同位置，分別測(cè)量不同位置的應(yīng)力，螺栓中埋設(shè)的溫度傳感器是為了消除溫度對(duì)螺栓及傳感器帶來(lái)的影響。所以，在實(shí)際工程應(yīng)用中，螺栓受到的軸向力表述為：

(6)

式中：ε為僅因荷載變化引起的應(yīng)變量，με；α為溫度相關(guān)系數(shù)，α=k1/k1t+k2/k2t；k1t、k2t為智能螺栓內(nèi)微型應(yīng)變傳感器的溫度標(biāo)定系數(shù)，ΔT為溫度變化量。

1.3 微型FBG傳感器及溫度傳感器

本文針對(duì)智能螺栓設(shè)計(jì)了一種進(jìn)行封裝的微型FBG傳感器[32-33]。該封裝方式在對(duì)光纖起到保護(hù)作用的同時(shí)也提高了傳感器的靈敏度。如圖3所示，該傳感器包括光纖光柵，2個(gè)夾持管和2個(gè)支座。光纖光柵的長(zhǎng)度是固定的，其兩側(cè)延伸出來(lái)的光纖使用環(huán)氧樹(shù)脂膠緊緊粘在2個(gè)夾持管中，這種封裝方式能夠消除FBG傳感器部分涂敷的環(huán)氧樹(shù)脂不固化而導(dǎo)致的傳感器應(yīng)變傳遞損失[34-36]。為了能夠更好的與螺栓緊密貼合，在傳感器的夾持管處又設(shè)計(jì)了2個(gè)小型的支座，粘貼時(shí)將支座首先固定在兩側(cè)的開(kāi)槽中，繼而把傳感器固緊在支座上，保證傳感器在后續(xù)安裝及使用過(guò)程中位置不發(fā)生變動(dòng)。

圖3 微型傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖4是微型傳感器實(shí)物圖。封裝后的微型傳感器的靈敏度的計(jì)算公式在文獻(xiàn)[25]中有詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程，而其應(yīng)變測(cè)量結(jié)果結(jié)果則可表示為：

(7)

式中：ε為傳感器應(yīng)變；Lf為FBG部分的長(zhǎng)度；ΔλFBG為微型傳感器中心波長(zhǎng)的變化量；L是2個(gè)小型支座之間的距離。

圖4 微型傳感器實(shí)物圖

利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)微型FBG應(yīng)變傳感器進(jìn)行應(yīng)變標(biāo)定，將微型傳感器與應(yīng)變計(jì)分別固定在鋼板兩側(cè)，用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋼板進(jìn)行拉伸，得到微型傳感器的應(yīng)變傳遞系數(shù)為1.2 με/pm，線性擬合系數(shù)在0.999 72。

由于應(yīng)變傳感器未采用低溫敏結(jié)構(gòu)封裝，故環(huán)境溫度對(duì)傳感器的波長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生一定影響，為了消除工程應(yīng)用中環(huán)境溫度變化對(duì)微型傳感器的波長(zhǎng)帶來(lái)的影響，需要在智能螺栓布設(shè)微型應(yīng)變傳感器的位置增設(shè)溫度傳感器作為溫度補(bǔ)償。圖5為封裝完成的光纖光柵溫度傳感器。

圖5 光纖光柵溫度傳感器實(shí)物圖

溫度傳感器用水浴法進(jìn)行標(biāo)定，處理后得到光纖光柵溫度傳感器的溫度傳感器靈敏度系數(shù)為10.5 pm/℃，溫度與波長(zhǎng)的線性擬合系數(shù)在0.999以上，說(shuō)明封裝后的溫度傳感器與溫度之間有良好的線性關(guān)系。

2 智能螺栓的標(biāo)定試驗(yàn)

為了驗(yàn)證螺栓的工作性能，設(shè)計(jì)標(biāo)定試驗(yàn)。用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)螺栓施加軸向荷載，每6 kN進(jìn)行一次力保載，記錄傳感器波長(zhǎng)。由于螺栓在安裝時(shí)，應(yīng)變傳感器需要有一定的預(yù)拉伸，所以設(shè)置加載范圍為6～60 kN，每6 kN保載10 s，采用光纖光柵波長(zhǎng)同步解調(diào)儀記錄傳感器波長(zhǎng)變化。由于試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，且持續(xù)時(shí)間較短，因此忽略溫度影響。固定在萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上的螺栓如圖6所示，圖7為標(biāo)定試驗(yàn)中智能螺栓受到的拉力與傳感器波長(zhǎng)變化之間的關(guān)系。

圖6 螺栓應(yīng)變標(biāo)定試驗(yàn)

圖7 智能螺栓應(yīng)變標(biāo)定結(jié)果

由圖7可以看出，螺栓內(nèi)埋設(shè)的微型傳感器的波長(zhǎng)變化和在螺栓上施加的拉力成正比，并且具有良好的線性關(guān)系，同一個(gè)螺栓兩側(cè)埋設(shè)的微型傳感器的波長(zhǎng)拉力線性擬合系數(shù)能夠達(dá)到0.999以上，2個(gè)傳感器的測(cè)量靈敏度分別為0.082 04 kN/pm和0.098 47 kN/pm，造成差異的原因主要在于，每個(gè)制作完成的微型應(yīng)變傳感器的應(yīng)變傳遞系數(shù)本身具有差異性，且傳感器的埋設(shè)條件不可能完全一致。在標(biāo)定試驗(yàn)中，傳感器測(cè)量結(jié)果能夠很好的反映螺栓的實(shí)際受力狀況，因此可以證明智能螺栓測(cè)量精度及可靠性。

3 螺栓的實(shí)際工程應(yīng)變監(jiān)測(cè)

3.1 螺栓的安裝

南京市某橋是南京市繞城公路上的規(guī)范過(guò)江通道，其功能為干線公路間距城市快速路功能。其夾江隧道段采用盾構(gòu)式管片結(jié)構(gòu)，外徑15 m，長(zhǎng)度約為1.158 km，全部隧道施工線路分為左線及右線。為了保證隧道整體的安全可靠性，需要對(duì)該盾構(gòu)式管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

智能螺栓安裝在設(shè)定的監(jiān)測(cè)斷面上。組成同一管環(huán)的管塊與管塊之間連接的智能螺栓稱為環(huán)向螺栓，環(huán)向螺栓的具體安裝環(huán)境如圖8(a)所示，圖8(a)中，L1、L2表示臨接塊1和臨接塊2，F(xiàn)表示封頂塊，B1～B7表示標(biāo)準(zhǔn)塊，不同管環(huán)之間進(jìn)行環(huán)與環(huán)連接的智能螺栓為縱向螺栓，圖8(b)為縱向智能螺栓連接管環(huán)示意圖，環(huán)向螺栓及縱向螺栓均為傾斜安裝。

(a)環(huán)向螺栓安裝示意圖

(b)縱向螺栓安裝示意圖圖8 智能螺栓安裝示意圖

3.2 螺栓的應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

在預(yù)設(shè)的安裝點(diǎn)將螺栓安裝好后，用光纖光柵波長(zhǎng)同步解調(diào)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)連續(xù)采集，時(shí)間長(zhǎng)度為2個(gè)月。本文選取整個(gè)盾構(gòu)式管片監(jiān)測(cè)工程中位于靠近最大水深斷面處下的R388管環(huán)為例進(jìn)行分析。

3.2.1 環(huán)向螺栓軸力分析

環(huán)向螺栓安裝在塊與塊之間的接縫處，圖9是經(jīng)過(guò)處理后的其中的5組受力數(shù)據(jù)，以圖9中傳感器編號(hào)HXLS-R388-B1|B2為例，HXLS代表橫向螺栓，R388代表管環(huán)編號(hào)，B1|B2代表該螺栓位于B1塊與B2塊之間。從圖9中可以看出，安裝在環(huán)R388上的5個(gè)環(huán)向智能螺栓，受到的軸向力不斷減小，且所有螺栓測(cè)得的數(shù)據(jù)在整體上表現(xiàn)有一致性。出現(xiàn)上述情況的原因可能是由于在外部土體的作用下，管環(huán)受壓收縮變形，管塊與管塊間連接的智能螺栓受壓[37-41]。智能螺栓的預(yù)緊力及變化如表1所示，可知管塊B6與B5之間的連接螺栓預(yù)緊力變化量最大，可能的原因是此位置處的土質(zhì)較差，地層抗性較小，管片變形較大。

圖9 環(huán)向螺栓預(yù)緊力變化時(shí)程圖

表1 環(huán)向螺栓預(yù)緊力變化數(shù)據(jù)

3.2.2 縱向螺栓軸力

縱向螺栓指的是環(huán)與環(huán)之間接縫處安裝的螺栓，方向垂直于環(huán)縫，監(jiān)測(cè)采集數(shù)據(jù)如圖10所示，以圖中ZXLS-R388-B3為例，ZXLS表示縱向螺栓，R388代表工程線編號(hào)，B3代表該螺栓位于與下一個(gè)管環(huán)相接的B3塊上。從圖10中可以看出，在環(huán)R388上設(shè)置的縱向螺栓所采集到的3組數(shù)據(jù)均表明智能螺栓處于受壓狀態(tài)，表明在盾構(gòu)式隧道結(jié)構(gòu)中，管環(huán)與管環(huán)間接縫處的間距隨時(shí)間減小，說(shuō)明外部土體的沉降等作用會(huì)引起盾構(gòu)式隧道的縱向變形，管環(huán)接縫受壓收縮。

圖10 環(huán)縫縱向螺栓軸力

綜上所述，長(zhǎng)期采集數(shù)據(jù)分析證明，基于FBG傳感器開(kāi)發(fā)的智能螺栓能夠測(cè)量螺栓軸力，并且在實(shí)際工程測(cè)量中發(fā)揮有效作用。

4 結(jié)論

本文發(fā)明了一種能基于光纖光柵傳感器的智能螺栓，通過(guò)將微型FBG傳感器及溫度傳感器分別埋設(shè)在螺栓的兩側(cè)，利用光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)變化來(lái)監(jiān)測(cè)螺栓軸力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)螺栓軸力及溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。首先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)螺栓施加的拉力進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，施加在螺栓上的拉力與螺栓內(nèi)埋設(shè)的傳感器的波長(zhǎng)變化量具有良好的線性關(guān)系，線性度在0.999以上。智能螺栓在實(shí)際工程應(yīng)用中的數(shù)據(jù)分析表明，智能螺栓能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量出螺栓受到的力，實(shí)際工況能很好的解釋螺栓預(yù)緊力的變化趨勢(shì)?；谝陨蠑?shù)據(jù)，表明對(duì)盾構(gòu)式隧道管片上安裝的智能螺栓預(yù)緊力的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要意義。