李夢(mèng)果， 劉豐榮， 吳 堯， 魏 蔚， 朱萬(wàn)旭,*

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院， 桂林 541004； 2.廣西智慧結(jié)構(gòu)材料工程研究中心， 桂林 541004)

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是目前橋梁、核電站等大型建筑普遍應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式，而預(yù)應(yīng)力鋼絞線是預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中的核心受力部件，其在施工張拉和服役過(guò)程中，由于種種因素會(huì)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失，從而造成預(yù)應(yīng)力水平降低和預(yù)應(yīng)力分布不均勻，其自身的應(yīng)力分布及變化又會(huì)直接影響受力結(jié)構(gòu)的承載力變化，若鋼絞線自身的預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大，受力構(gòu)件可能在施工或使用過(guò)程中發(fā)生無(wú)征兆破壞。體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為一個(gè)隱蔽部件，在實(shí)際工程中卻難以對(duì)其應(yīng)力分布和變化進(jìn)行有效測(cè)量。因此，對(duì)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效監(jiān)測(cè)對(duì)了解和掌握受力構(gòu)件自身乃至整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全狀況具有重要意義。

目前可用于測(cè)量體內(nèi)預(yù)應(yīng)力的傳統(tǒng)方法有磁彈法[1-2]和應(yīng)力釋放法[3-4]，受限于磁通量傳感器只能安裝于鋼絞線外部，前者在工作時(shí)易受電磁干擾和波紋管套筒的影響無(wú)法對(duì)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，且該方法只能靜態(tài)測(cè)量；后者雖可通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量出鋼絞線不同位置的實(shí)際應(yīng)力，測(cè)量誤差控制在2%附近，但該方法屬于局部破損技術(shù)，在機(jī)械切割時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋼絞線發(fā)生應(yīng)力重分布，同時(shí)在切割鋼絞線時(shí)釋放的熱量會(huì)形成虛假應(yīng)變輸出，對(duì)測(cè)量精度造成很大影響。光纖Bragg光柵(fiber bragg grating，F(xiàn)BG)傳感器是近年來(lái)一種新型智能傳感元件，它通過(guò)光柵反射的波長(zhǎng)變化來(lái)感知外界物理量的微小變化，具有線性度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、體積小、布設(shè)簡(jiǎn)單方便、穩(wěn)定性好，可對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行高精度的測(cè)量等優(yōu)勢(shì)[5]，適用于預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，但目前的應(yīng)用監(jiān)測(cè)對(duì)象多為斜拉橋拉索[6-7]、拱橋吊桿[8]和大跨徑索網(wǎng)結(jié)構(gòu)拉索[9]等體外索。為了將FBG傳感技術(shù)應(yīng)用于體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，中外研究學(xué)者做了大量的研究工作，并探索出在鋼絞線外圍鋼絲上布置FBG傳感器[10]和利用FBG智能筋替換鋼絞線中心絲[11-12]的2種方法，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，上述兩種方法中的FBG傳感器雖然可以成功監(jiān)測(cè)鋼絞線的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變變化情況，但前者測(cè)出的外圍單根鋼絲應(yīng)力值與鋼絞線的實(shí)際應(yīng)力有顯著的差距，同時(shí)布置于鋼絲外表面的傳感器在惡劣的使用環(huán)境中極易損壞；后者極限抗拉強(qiáng)度僅達(dá)到普通鋼絞線的88%左右，在實(shí)際工程應(yīng)用中易產(chǎn)生智能筋被外圍鋼絲擠壓變形破壞、高應(yīng)力狀態(tài)下外圍鋼絲與智能筋易滑移的問(wèn)題；覃荷瑛等[13-15]和朱萬(wàn)旭等[16]改進(jìn)研制出的內(nèi)嵌FBG自感知鋼絞線在保證抗拉強(qiáng)度不變的情況下，在復(fù)雜惡劣的施工環(huán)境中能實(shí)現(xiàn)對(duì)體內(nèi)索體應(yīng)力的有效監(jiān)測(cè)。

現(xiàn)對(duì)自感知鋼絞線進(jìn)行張拉試驗(yàn)，計(jì)算其線性度和應(yīng)變靈敏度，同時(shí)以月亮灣大橋?yàn)閷?shí)際工程背景，利用自感知鋼絞線的優(yōu)勢(shì)，對(duì)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力索體張拉和錨固過(guò)程中的應(yīng)力變化進(jìn)行多測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析自感知鋼絞線的應(yīng)力狀態(tài)變化，對(duì)比索體的應(yīng)力監(jiān)測(cè)值與理論值，驗(yàn)證內(nèi)嵌FBG自感知鋼絞線對(duì)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)性和可靠性。

1 光纖Bragg光柵監(jiān)測(cè)原理

利用光纖Bragg光柵的反射原理，當(dāng)光波傳輸通過(guò)FBG時(shí)，它能對(duì)滿足Bragg反射條件的入射光波產(chǎn)生反射，其反射波波峰處波長(zhǎng)λB為

λB=2neffΛ

(1)

式(1)中：Λ為光柵的周期；neff為光纖纖芯對(duì)中心波長(zhǎng)的折射率。

當(dāng)光纖Bragg光柵所處的環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，F(xiàn)BG的折射率和周期會(huì)發(fā)生改變，其中心波長(zhǎng)漂移Δλ與所受軸向應(yīng)變的關(guān)系為

(2)

式(2)中：Δλ為波長(zhǎng)的變化值；p11、p12為彈光效應(yīng)的系數(shù)；v為泊松比；εFBG為光纖Bragg光柵應(yīng)變；kFBG為光纖Bragg光柵應(yīng)變靈敏度。

光纖Bragg光柵監(jiān)測(cè)應(yīng)變與鋼絞線實(shí)際應(yīng)變之間的關(guān)系[14]為

εFBG=ηεm

(3)

并將其代入式(2)得

Δλ=kFBGηεm=K′εεm

(4)

式(4)中：εm為鋼絞線的實(shí)際應(yīng)變；η為光纖Bragg光柵與鋼絞線基體之間的應(yīng)變傳遞率；K′ε為光纖Bragg光柵的監(jiān)測(cè)應(yīng)變靈敏度，其值可通過(guò)張拉試驗(yàn)確定。

鋼絞線基體的實(shí)際應(yīng)變與預(yù)應(yīng)力之間的關(guān)系為

(5)

式(5)中：σp為鋼絞線預(yù)應(yīng)力；Ep為預(yù)應(yīng)力鋼絞線的彈性模量。

將式(5)代入式(4)可得光纖Bragg光柵波長(zhǎng)變化量和鋼絞線預(yù)應(yīng)力之間的關(guān)系為

(6)

基于上述理論，自感知鋼絞線在預(yù)應(yīng)力作用下產(chǎn)生應(yīng)變，同時(shí)以一定的傳遞率將應(yīng)變傳遞給內(nèi)嵌的光纖Bragg光柵，從而使光纖Bragg光柵的中心波長(zhǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而測(cè)出外界變化的物理量。

2 自感知鋼絞線的張拉試驗(yàn)

為保證自感知鋼絞線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)準(zhǔn)確性以及在實(shí)際工程應(yīng)用中監(jiān)測(cè)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力的可靠性，現(xiàn)對(duì)2根73.1 m長(zhǎng)的自感知鋼絞線進(jìn)行3次張拉試驗(yàn)。在鋼絞線中布置2個(gè)FBG測(cè)點(diǎn)，其中測(cè)點(diǎn)A距離錨具1.0 m，測(cè)點(diǎn)B距離錨具17.875 m。張拉試驗(yàn)的具體過(guò)程為：首先預(yù)加載到0.05Pn，檢查鋼絞線對(duì)中及解調(diào)儀采集波長(zhǎng)數(shù)據(jù)的工作情況，檢查設(shè)備正常工作后，卸載并記錄初始波長(zhǎng)數(shù)據(jù)；其次，在正式張拉時(shí)，對(duì)鋼絞線進(jìn)行分階段、分級(jí)張拉：初始階段采用0.1Pn進(jìn)行分級(jí)加載，在荷載達(dá)到0.3Pn時(shí)，改按0.05Pn分級(jí)加載，直至張拉到0.81Pn；試驗(yàn)中鋼絞線的張拉速度不大于100 MPa/min，每級(jí)張拉完成后持荷5 min，記錄波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，其中Pn是鋼絞線的極限承載力，Pn= 260 kN。

通過(guò)自感知鋼絞線的張拉試驗(yàn)得到了大量的FBG波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，將對(duì)自感知鋼絞線施加的張拉荷載作為橫坐標(biāo)，光纖Bragg光柵的中心波長(zhǎng)作為縱坐標(biāo)，對(duì)2根鋼絞線的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，能夠直觀清晰展示出試驗(yàn)結(jié)果，如圖1所示。

圖1 張拉自感知鋼絞線的FBG波長(zhǎng)和荷載關(guān)系Fig.1 The relationship between FBG wavelength and load of tensioned self-sensing steel strand

圖2 光柵波長(zhǎng)變化量與自感知鋼絞線應(yīng)變關(guān)系Fig.2 The relationship between the wavelength change of the grating and the strain of the self-sensing steel strand

由圖1可知，在3次張拉試驗(yàn)中，自感知鋼絞線的荷載監(jiān)測(cè)量程均達(dá)到了81%Pn，光纖Bragg光柵的中心波長(zhǎng)隨著鋼絞線的張拉荷載的增大而不斷增大，與理論上光柵受拉波長(zhǎng)增大相吻合。在鋼絞線張拉階段，F(xiàn)BG傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)體現(xiàn)了良好的線性規(guī)律，其中1號(hào)鋼絞線測(cè)點(diǎn)A和測(cè)點(diǎn)B的非線性誤差分別為ξL,1A=2.58%，ξL,1B=2.58%；2號(hào)鋼絞線測(cè)點(diǎn)A和測(cè)點(diǎn)B的非線性誤差分別為ξL,2A=2.28%，ξL,2B=2.50%。根據(jù)圖2可知，1號(hào)和2號(hào)自感知鋼絞線的應(yīng)變靈敏度在1.09～1.13 pm/με范圍，與1.21 pm/με的理論值誤差極小，其最大監(jiān)測(cè)應(yīng)變達(dá)到7 661 με，說(shuō)明自感知鋼絞線的應(yīng)變靈敏度高、監(jiān)測(cè)量程大，可滿足實(shí)際工程中的監(jiān)測(cè)需求。

3 自感知鋼絞線的工程應(yīng)用

3.1 工程概況

月亮灣大橋?yàn)殡p塔單跨懸索橋，如圖3所示，大橋全長(zhǎng)751 m，橋跨布置為2×50 m預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)+465 m單跨懸索橋+6×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁，主跨主梁采用雙向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)混凝土加勁梁。施工中選擇縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線束N6中的2根體內(nèi)預(yù)應(yīng)力索體作為應(yīng)力監(jiān)測(cè)依托對(duì)象，內(nèi)嵌FBG自感知鋼絞線采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa的Φ15.2 mm 鋼絞線，布置總長(zhǎng)度為73.1 m，錨具位于距鋼絞線端部0.8 m處，測(cè)點(diǎn)A距離錨具1.0 m，距離鋼絞線端部1.8 m；測(cè)點(diǎn)B位于體內(nèi)預(yù)應(yīng)力索1/4跨處，距離錨具17.875 m。鋼絞線的錨下控制應(yīng)力σcon為0.75fpk，即1 395 MPa，其中fpk為預(yù)應(yīng)力鋼絞線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，采用千斤頂一端張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力索，在張拉過(guò)程中得到大量的光纖Bragg光柵波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)光纖光柵解調(diào)儀進(jìn)行波長(zhǎng)數(shù)據(jù)采集，如圖4所示。

圖3 月亮灣大橋Fig.3 Moon Bay Bridge

圖4 波長(zhǎng)數(shù)據(jù)采集Fig.4 Wavelength data collection

3.2 應(yīng)力狀態(tài)分析

以張拉時(shí)間為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)應(yīng)力為縱坐標(biāo)，擬合自感知鋼絞線在張拉過(guò)程中的應(yīng)力變化圖，其能夠直觀展示體內(nèi)預(yù)應(yīng)力變化的監(jiān)測(cè)結(jié)果，如圖5所示。

圖5 自感知鋼絞線的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化Fig.5 Self-sensing stress change of the measuring point of the steel strand

從圖5可以看出， FBG傳感器能對(duì)鋼絞線在張拉、持荷以及卸載錨固的施工全過(guò)程的應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，F(xiàn)BG傳感器存活率達(dá)到100%。在鋼絞線0～100%σcon張拉過(guò)程，鋼絞線的張拉應(yīng)力雖然由于摩阻損失有一定的滯后性，但隨著應(yīng)力水平的提高，逐漸和張拉控制應(yīng)力相吻合；在達(dá)到控制應(yīng)力的持荷階段，鋼絞線的應(yīng)力較為平穩(wěn)；在千斤頂卸荷階段，1#鋼絞線在A、B測(cè)點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力下降平均值分別為35.91 MPa和31.42 MPa，即2.57%σcon和2.25%σcon;2#鋼絞線在A、B測(cè)點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力下降平均值分別為55.97 MPa和39.48 MPa，即4.01%σcon和2.83%σcon，隨后趨于一個(gè)穩(wěn)定的范圍，這是由于張拉端的千斤頂卸載，夾片楔緊過(guò)程中，鋼絞線回縮造成了部分預(yù)應(yīng)力損失，夾片和錨杯自錨完成后，鋼絞線的應(yīng)力趨于穩(wěn)定。在千斤頂卸荷、完成后，測(cè)點(diǎn)B的預(yù)應(yīng)力損失小于測(cè)點(diǎn)A的預(yù)應(yīng)力損失，產(chǎn)生該現(xiàn)象原因是鋼絞線回縮時(shí)會(huì)受到孔道壁反摩阻力，而預(yù)應(yīng)力鋼絞線在張拉端的回縮最大，該處的預(yù)應(yīng)力損失也最大，越遠(yuǎn)離張拉端，受到的反摩阻力逐漸增大，預(yù)應(yīng)力損失也就越小。

在張拉端的千斤頂卸載、預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固時(shí)會(huì)導(dǎo)致FBG傳感器的中心波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化，自感知鋼絞線各測(cè)點(diǎn)在錨固后的“應(yīng)力突降”階段基本相同，說(shuō)明了自感知鋼絞線對(duì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)具有高靈敏度的特點(diǎn)。

3.3 張拉應(yīng)力值與實(shí)測(cè)應(yīng)力值的對(duì)比分析

1#、2#自感知鋼絞線在施工各階段的張拉應(yīng)力值與實(shí)測(cè)應(yīng)力值對(duì)比如表1～表4所示。σt為自感知鋼絞線的張拉應(yīng)力值；σFBG為自感知鋼絞線實(shí)測(cè)應(yīng)力值；εFBG為自感知鋼絞線的實(shí)測(cè)應(yīng)變。

表1 1-A自感知鋼絞線張拉應(yīng)力值與實(shí)測(cè)應(yīng)力值對(duì)比

表2 1-B自感知鋼絞線張拉應(yīng)力值與實(shí)測(cè)應(yīng)力值對(duì)比

表3 2-A自感知鋼絞線張拉應(yīng)力值與實(shí)測(cè)應(yīng)力值對(duì)比

表4 2-B自感知鋼絞線張拉應(yīng)力值與實(shí)測(cè)應(yīng)力值對(duì)比

分析表1～表4的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可得，自感知鋼絞線最大監(jiān)測(cè)應(yīng)力為1 394.79 MPa，最大監(jiān)測(cè)應(yīng)變?yōu)? 153 με，達(dá)到了0.75fpk控制應(yīng)力的99.98%。在張拉階段，1#和2#自感知鋼絞線各測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致，即鋼絞線的有效預(yù)應(yīng)力隨張拉應(yīng)力的增大而增大。2根鋼絞線在相同測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力增幅以及實(shí)測(cè)應(yīng)力存在一定的差值，這是由于在張拉鋼絞線束時(shí)，長(zhǎng)孔道中的鋼絞線存在擠壓與孔道摩擦現(xiàn)象。

通過(guò)數(shù)據(jù)可知，自感知預(yù)應(yīng)力鋼絞線上的A、B兩個(gè)FBG測(cè)點(diǎn)能實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)出測(cè)點(diǎn)所在位置的實(shí)際有效應(yīng)力。張拉應(yīng)力在0～0.6σcon范圍內(nèi)時(shí)，鋼絞線的實(shí)測(cè)應(yīng)力與張拉應(yīng)力的相對(duì)誤差值較大，其最大相對(duì)誤差達(dá)到了21.91%；而張拉應(yīng)力在0.6σcon～σcon范圍內(nèi)時(shí)，兩者吻合度較高，兩者最大相對(duì)誤差僅為5.72%；當(dāng)張拉應(yīng)力達(dá)到σcon時(shí)，相對(duì)誤差小于2.51%。張拉應(yīng)力值與實(shí)測(cè)應(yīng)力值在張拉的前中期有著較大的離散，鋼絞線的有效應(yīng)力值普遍低于張拉應(yīng)力值，其主要原因是預(yù)應(yīng)力鋼絞線長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在張拉前期鋼絞線在孔道中并未被拉緊，摩阻較大，這就導(dǎo)致了預(yù)應(yīng)力損失值與理論值差異較大，而隨著張拉應(yīng)力的增大，上述現(xiàn)象影響程度減小，實(shí)測(cè)預(yù)應(yīng)力與張拉應(yīng)力變化規(guī)律基本相同。在張拉持荷階段，實(shí)測(cè)有效應(yīng)力隨時(shí)間變化存在微小的波動(dòng)變化，但仍處于一個(gè)較為平穩(wěn)的狀態(tài)，應(yīng)力波動(dòng)范圍在0.03%σcon～0.56%σcon。

綜合上述分析，光纖光柵自感知鋼絞線具有優(yōu)良的感知性能，可以穩(wěn)定有效地監(jiān)測(cè)體內(nèi)索體受力特性及應(yīng)變情況。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)2根FBG自感知鋼絞線進(jìn)行重復(fù)張拉試驗(yàn)及在月亮灣大橋的工程應(yīng)用，從自感知鋼絞線的線性度、應(yīng)變靈敏度、應(yīng)力狀態(tài)及張拉控制應(yīng)力與實(shí)測(cè)應(yīng)力的對(duì)比這幾方面分析了自感知鋼絞線的感知性能，得出以下結(jié)論。

(1)通過(guò)張拉試驗(yàn)，對(duì)自感知鋼絞線的感知性能進(jìn)行分析，結(jié)果得到線性度在2.58%以內(nèi)，其應(yīng)變靈敏度為1.09～1.13 pm/με，表明自感知鋼絞線監(jiān)測(cè)的線性度好、靈敏度高，為后續(xù)實(shí)際工程中對(duì)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)提供支持。

(2)自感知鋼絞線在實(shí)際工程應(yīng)用中，F(xiàn)BG傳感器成活率達(dá)100%，最大監(jiān)測(cè)應(yīng)變達(dá)到7 153 με，最大監(jiān)測(cè)應(yīng)力為1 394.79 MPa，實(shí)際監(jiān)測(cè)應(yīng)力與張拉控制應(yīng)力值1 395.00 MPa的相對(duì)誤差僅為0.02%，證明了FBG自感知鋼絞線具有大量程、高精準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)，因此能在復(fù)雜惡劣的施工狀態(tài)下對(duì)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

(3)通過(guò)在張拉端和1/4跨處布置FBG測(cè)點(diǎn)，自感知鋼絞線能精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力索體不同位置的應(yīng)力變化狀態(tài)，為體內(nèi)預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)提供了科學(xué)有效的方法。