黃 忠,胥獻(xiàn)忠,鄧 耀,周懷健,孫玉濤,沈全喜

(1.中國(guó)建筑第五工程局有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410004;2.桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,廣西 桂林 541004)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,建筑結(jié)構(gòu)逐漸向大型化、復(fù)雜化及輕量化發(fā)展,而密閉索[1]作為一種新型的建筑結(jié)構(gòu)拉索,能滿足不同類型建筑結(jié)構(gòu)的建造需求。密閉索索體由多層不同類型的鋼絲經(jīng)旋轉(zhuǎn)捻制而成,具有耐腐蝕、耐火、不旋轉(zhuǎn)及摩擦系數(shù)大等特點(diǎn)。密閉索作為建筑結(jié)構(gòu)中重要的受力構(gòu)件,其受荷狀態(tài)直接對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的施工和安全使用產(chǎn)生重大影響。因此,有效監(jiān)測(cè)拉索索力是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)[2-4]的重要任務(wù)之一。

目前,拉索索力的測(cè)量方法一般通過(guò)獲取由外加荷載引起索體某種物理參量的變化,間接計(jì)算索力大小。在工程應(yīng)用中,常用的索力測(cè)量方法[5-7]有壓力表測(cè)量法、壓力傳感器測(cè)量法、振動(dòng)頻率法、電阻應(yīng)變片測(cè)量法及磁通量傳感器測(cè)量法。壓力表測(cè)量法和壓力傳感器測(cè)量法在使用前需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn),且設(shè)備在經(jīng)過(guò)一段服役期后,測(cè)量誤差較大;振動(dòng)頻率法在索-阻尼器體系的索力計(jì)算中存在較大誤差;電阻應(yīng)變片測(cè)量法的粘貼工藝和膠水的性能直接影響測(cè)量精度,且索力絕對(duì)值也難以確定;磁通量傳感器測(cè)量法易受外界電磁干擾的影響。為了解決上述索力監(jiān)測(cè)中存在的問(wèn)題,研究人員將目光聚焦在一種新型傳感器——光纖光柵傳感器[8-10]。光纖光柵傳感器以光為傳感媒介,具有抗電磁干擾、耐腐蝕、傳輸速度快及信息容量大等特點(diǎn)。基于上述特性,研究人員開(kāi)始探索將光纖光柵傳感器引入工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。針對(duì)拉索的索力監(jiān)測(cè),莊勁松[11]將光纖光柵傳感器封裝在鋼管中,并通過(guò)支座將封裝后的傳感器安裝在靠近錨端的斜拉索內(nèi)部,實(shí)現(xiàn)大橋斜拉索索力的智能化監(jiān)測(cè);Gomez-Martinez R等[12]將光纖應(yīng)變傳感器安裝在斜拉橋主梁底部,對(duì)橋梁的靜、動(dòng)載試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè);王天鵬等[13]設(shè)計(jì)了一種可更換光纖光柵傳感器的測(cè)力環(huán),將數(shù)個(gè)光纖光柵傳感器均勻安裝于環(huán)形彈性體四周,并利用波分復(fù)用技術(shù)將該測(cè)力環(huán)進(jìn)行組網(wǎng),實(shí)現(xiàn)拉索索力自動(dòng)化監(jiān)測(cè);Li Feng等[14]將光纖光柵傳感器耦合在螺旋碳纖維筋內(nèi)部制成智能螺旋碳纖維筋,并利用此智能筋對(duì)鋼絞線拉索荷載進(jìn)行監(jiān)測(cè);劉曉江等[15]利用GFRP封裝光纖光柵傳感器,將其錨固在鋼絞線表面進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該封裝結(jié)構(gòu)用于實(shí)際工程測(cè)量的可行性;李紅明等[16]將光纖光柵應(yīng)力和溫度傳感器封裝在不銹鋼管內(nèi)部,利用基座夾具將傳感器安裝在拉索表面,通過(guò)測(cè)量基座間拉索的應(yīng)變推算出索力變化值。

雖然現(xiàn)有的光纖光柵傳感器索力監(jiān)測(cè)方案能夠?qū)崿F(xiàn)索力監(jiān)測(cè),但傳感器封裝結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜,且安裝方式為螺栓固定,索力監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性及耐久性無(wú)法得到保障。針對(duì)光纖光柵傳感器在索力監(jiān)測(cè)中存在的安裝條件及監(jiān)測(cè)量程不足的問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種光纖光柵智能拉索。通過(guò)在拉索內(nèi)部中心絲上設(shè)置縱向凹槽,使用特種膠粘劑將光纖光柵傳感器封裝在凹槽內(nèi)部,在基本不影響拉索力學(xué)性能的情況下,利用索體自身對(duì)光纖光柵傳感器進(jìn)行封裝保護(hù)。其結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單,索力監(jiān)測(cè)更準(zhǔn)確,滿足拉索的索力全壽命動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 光纖光柵傳感原理

利用光纖材料的光敏性,通過(guò)紫外光曝光的方法對(duì)光纖纖芯進(jìn)行刻寫(xiě),使纖芯的折射率沿軸向周期性變化,從而形成永久性的相位光柵,制成高靈敏度光纖光柵傳感器。當(dāng)一束寬帶光入射光纖光柵時(shí),滿足一定條件的光被光柵反射回來(lái),而剩余的光則會(huì)被透射出去,如圖1所示。反射光的中心波長(zhǎng)λB與光柵的折射率變化周期Λ、纖芯有效折射率neff有關(guān),即:

λB=2neffΛ

(1)

圖1 光纖光柵反射和透射特性

光柵的neff和Λ因受應(yīng)變、溫度等因素影響,導(dǎo)致光纖光柵傳感器反射中心波長(zhǎng)發(fā)生移動(dòng)[17-18]。通過(guò)解調(diào)傳感器反射中心波長(zhǎng)能夠精確檢測(cè)外部信息變化。在工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中,結(jié)構(gòu)的受荷變形是造成波長(zhǎng)漂移最直接的因素,波長(zhǎng)變化量[19-21]為

(1-Pe)ε

(2)

式中:ΔλB為光纖光柵波長(zhǎng)變化量;P11、P12為彈光系數(shù);υ為泊松比;ε為應(yīng)變。

由式(2)可見(jiàn),波長(zhǎng)變化量與應(yīng)變具有一定的線性關(guān)系,這從理論上保證了光纖光柵在實(shí)際監(jiān)測(cè)應(yīng)用中具有良好的線性度。

2 光纖光柵智能拉索設(shè)計(jì)

拉索選用ZS密閉索,索體直徑為?65 mm,有效橫截面積為2 980 mm2,彈性模量為(1.6±0.05)×105MPa,強(qiáng)度級(jí)別為1 570 MPa,最小破斷荷載為4 100 kN,拉索構(gòu)造如圖2所示。本文選用均勻光纖光柵傳感器作為監(jiān)測(cè)元件,其折射率和柵格周期均為常數(shù),且反射率高、反射帶寬窄,結(jié)構(gòu)及參數(shù)如表1所示。拉索主要承受軸向荷載,其節(jié)點(diǎn)間荷載分布基本一致,故將傳感器布設(shè)在距離拉索端部3 m處。

圖2 ZS密閉索

表1 光纖光柵性能參數(shù)

解調(diào)儀解調(diào)范圍為1 525～1 565 nm,采樣頻率為1 Hz,波長(zhǎng)精度為2.5 pm,分辨率為1 pm。

光纖光柵智能拉索的制作過(guò)程:

1) 索體捻制前選取拉索中心絲,在其表面沿長(zhǎng)度方向刻置深0.5 mm、寬1 mm的凹槽。

2) 中心絲持荷狀態(tài)下,使用特種膠粘劑將光纖光柵傳感器封裝至凹槽內(nèi)部,膠粘劑到達(dá)指定強(qiáng)度后,卸載中心絲,利用壓應(yīng)變的恢復(fù),擴(kuò)大光纖光柵傳感器的監(jiān)測(cè)量程。

3) 將中心絲與外絲進(jìn)行捻合,制成光纖光柵智能拉索,并將光纖從索體端部引出,如圖3所示。采用內(nèi)嵌技術(shù)將光纖光柵傳感器內(nèi)嵌于索體內(nèi)部,不額外占用安裝空間,施工過(guò)程方便,無(wú)需增加任何輔助工藝,并且在安裝和使用過(guò)程中拉索鋼絲能有效保護(hù)光纖光柵傳感器,使其免遭破壞。

圖3 光纖光柵智能拉索

3 光纖光柵智能拉索張拉試驗(yàn)

拉索長(zhǎng)度為6 m,對(duì)拉索先后進(jìn)行最大張拉荷載為60%Pb、80%Pb(極限荷載Pb=4 100 kN)的重復(fù)張拉試驗(yàn)。為消除由拉索自重導(dǎo)致的索體彎曲,初始荷載設(shè)定為250 kN,張拉采取逐級(jí)加載,每級(jí)荷載為250 kN,每級(jí)加載完成后持荷5 min,記錄荷載、光纖光柵傳感器波長(zhǎng)讀數(shù),加載至最大張拉荷載后卸載,重復(fù)上述張拉過(guò)程3次。試驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境溫度保持恒定,試驗(yàn)設(shè)備如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)設(shè)備

光纖光柵傳感器波長(zhǎng)變化量與張拉荷載的關(guān)系如圖5所示。

圖5 波長(zhǎng)變化量與荷載關(guān)系曲線

由圖5可知,在拉索加載和卸載過(guò)程中,光纖光柵傳感器的監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)隨著荷載的改變而變化,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有很好的線性度和重復(fù)性,且光纖光柵傳感器的監(jiān)測(cè)量程可達(dá)到80%Pb。圖5(a)中圖形有部分彎曲,這可能是拉索自身存在非彈性變形,隨著荷載增大,拉索非彈性變形逐漸消減。圖5(b)中圖形線性度較好,其原因在于拉索經(jīng)過(guò)前3次60%Pb的張拉,非彈性變形基本消除,故后續(xù)分析都以最大張拉荷載達(dá)到80%Pb的拉索為分析對(duì)象。

3.1 光纖光柵智能拉索靈敏度

拉索在安裝前都需進(jìn)行預(yù)張拉,從而達(dá)到消減非彈性變形的目的,以最大張拉荷載80%Pb為分析對(duì)象,對(duì)光纖光柵智能拉索靈敏度進(jìn)行分析。光纖光柵智能拉索的靈敏度是指工作狀態(tài)下光纖光柵傳感器波長(zhǎng)變化量與荷載變化量的比值。通過(guò)對(duì)拉索3次循環(huán)張拉測(cè)試數(shù)據(jù)的擬合處理,光纖光柵智能拉索的靈敏度如表2所示。

由表2可知,光纖光柵智能拉索的監(jiān)測(cè)靈敏度平均值為0.002 66 nm/kN,線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99。

3.2 光纖光柵智能拉索線性度

線性度ξL是衡量傳感器監(jiān)測(cè)特性的重要指標(biāo),表示傳感器輸出數(shù)值曲線與線性擬合直線間的最大偏差與滿量程輸出的百分比,即:

(3)

式中:ΔλL,max為光纖光柵智能拉索波長(zhǎng)變化量的算術(shù)平均值與波長(zhǎng)變化量擬合值之間的最大差值;ΔλFS為光纖光柵智能拉索波長(zhǎng)滿量程輸出值。由式(3)可知,ξL值越小,線性度越高。

根據(jù)張拉數(shù)據(jù)計(jì)算出光纖光柵智能拉索波長(zhǎng)變化量的算術(shù)平均值,采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合,得到擬合直線:加載y=0.002 65x-0.591 97、卸載y=0.002 67x-0.576 76。將張拉荷載代入擬合直線,得到波長(zhǎng)變化量擬合值,最后計(jì)算出偏差值,計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表可見(jiàn),光纖光柵智能拉索波長(zhǎng)變化量平均值與擬合值的最大差值分別為加載0.237 nm、卸載0.249 nm。根據(jù)式(3)計(jì)算得到光纖光柵智能拉索線性度加載時(shí)ξL=2.76%,卸載時(shí)ξL=2.86%。

表3 光纖光柵智能拉索線性度計(jì)算

3.3 光纖光柵智能拉索遲滯

遲滯表示傳感器在同一輸入量下,正、反行程的輸出信號(hào)不一致現(xiàn)象。對(duì)光纖光柵智能拉索加載、卸載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到光纖光柵智能拉索加、卸載波長(zhǎng)變化量的參數(shù)如表4所示。

表4 光纖光柵智能拉索遲滯性計(jì)算

光纖光柵智能拉索的遲滯ξH表示為傳感器在加載、卸載中波長(zhǎng)變化量最大偏差值與滿量程輸出值的比值,即:

(4)

式中ΔλH,max為加載、卸載過(guò)程中光纖光柵智能拉索波長(zhǎng)變化量平均值的最大差值。

根據(jù)表4可得,光纖光柵智能拉索在加、卸載過(guò)程中最大波長(zhǎng)偏差值ΔλH,max=0.133。由式(4) 計(jì)算可得到ξH=1.53%。

3.4 傳感器重復(fù)性

重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谙嗤墓ぷ鳁l件下,連續(xù)多次加載或卸載時(shí)所得監(jiān)測(cè)曲線不一致的程度。傳感器的重復(fù)性誤差反映在相同荷載作用下,多次加載或卸載過(guò)程中,光纖光柵智能拉索波長(zhǎng)變化量能否一致的性能指標(biāo),重復(fù)性誤差為

(5)

式中:c=t0.95(t分布,置信概率為95%)為包含因子;ΔλR,max為標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值。依據(jù)貝塞爾公式法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差,有:

(6)

根據(jù)拉索3次循環(huán)試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù),分別計(jì)算加載、卸載時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)偏差,結(jié)果如表5所示。

表5 加載、卸載標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表5可知,加載時(shí)最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.048,卸載時(shí)最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.045,當(dāng)保證95%的置信度時(shí),包含因子c=4.303。由式(5)可得光纖光柵智能拉索的加載重復(fù)性誤差ξR=2.40%,卸載重復(fù)性誤差ξR=2.23%,證明光纖光柵智能拉索具有良好的重復(fù)性。

3.5 總精度

為了全面綜合地評(píng)價(jià)傳感器的性能優(yōu)劣,一般用總精度(或總不確定度)衡量傳感器性能。總精度反映了在一定置信度下,傳感器的實(shí)際輸出對(duì)其理論特性或工作特性的偏離皆不超過(guò)的一個(gè)范圍?？偩葹?/p>

(7)

通過(guò)重復(fù)張拉試驗(yàn),分別對(duì)傳感器的遲滯、線性度、重復(fù)性指標(biāo)進(jìn)行分析,將上述數(shù)據(jù)代入式(7),可得光纖光柵智能拉索的總精度P=4.03%。光纖光柵智能拉索具有優(yōu)良的感知性能,目前該新型拉索已被應(yīng)用于順德區(qū)德勝體育中心項(xiàng)目,通過(guò)內(nèi)置光纖光柵傳感器對(duì)拉索進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),保障結(jié)構(gòu)的安全使用。

4 工程應(yīng)用

將智能拉索應(yīng)用在某體育場(chǎng)館馬鞍形索網(wǎng)結(jié)構(gòu)中,其中索網(wǎng)部分長(zhǎng)軸為109 m,短軸為71 m。 索網(wǎng)標(biāo)高范圍為12.85～20.85 m,跨中標(biāo)高為16.85 m。馬鞍形索網(wǎng)短向矢跨比為4/71=1/17.75,長(zhǎng)向矢跨比為 4/109=1/27.25,如圖6所示。

圖6 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)

選取編號(hào)為S1、S2、S3的3根拉索。為了控制結(jié)構(gòu)的整體形狀,拉索兩端同步分級(jí)張拉,同步張拉細(xì)分為5級(jí):初緊狀態(tài)—10%Pb—20%Pb—30%Pb—40%Pb—45%Pb。索網(wǎng)施工過(guò)程中分別利用光纖光柵傳感器和液壓千斤頂對(duì)索網(wǎng)張拉進(jìn)行監(jiān)測(cè),根據(jù)3.1節(jié)中光纖光柵智能拉索的監(jiān)測(cè)靈敏度,通過(guò)光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)變化值計(jì)算出拉索監(jiān)測(cè)荷載,并與千斤頂?shù)膹埨奢d進(jìn)行對(duì)比,如表6-8所示。

注:Δλ為波長(zhǎng)變化量;FFBG為光纖光柵監(jiān)測(cè)荷載;FZ為千斤頂荷載。

由表6-8可見(jiàn),光纖光柵傳感器能對(duì)拉索的張拉過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在張拉初始階段,光纖光柵監(jiān)測(cè)荷載與千斤頂荷載誤差較大,分別達(dá)到-12.13%、-8.50%、-9.62%;隨著張拉過(guò)程的進(jìn)行,誤差迅速減小,當(dāng)張拉完成后兩者誤差分別為-1.24%、2.95%、-0.11%。其原因可能是拉索卷起呈圓盤(pán)狀運(yùn)輸,直到安裝前才恢復(fù)直線狀,所以在初始張拉階段,索體存在彎曲和非彈性變形,導(dǎo)致誤差較大。隨著張拉荷載的增大,上述因素逐漸消除,誤差也隨之減小。

5 結(jié)論

本文通過(guò)在拉索中心絲設(shè)置縱向凹槽,結(jié)合“預(yù)應(yīng)力原理”將光纖光柵耦合在拉索內(nèi)部制成大量程光纖光柵智能拉索,并對(duì)其傳感監(jiān)測(cè)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得出以下結(jié)論:

1) 光纖光柵智能拉索可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拉索荷載變化,荷載監(jiān)測(cè)靈敏度約為0.002 66 nm/kN,且循環(huán)張拉過(guò)程中靈敏度波動(dòng)甚微,驗(yàn)證了光纖光柵傳感器封裝設(shè)計(jì)的可行性,為光纖光柵智能拉索后期的工程應(yīng)用做好鋪墊。

2) 光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)量程可達(dá)到拉索破斷荷載的80%,遠(yuǎn)超拉索的服役荷載。由此可見(jiàn),該內(nèi)嵌光纖光柵智能拉索能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)拉索在施工和服役階段受荷狀態(tài)的監(jiān)測(cè),更好地保證了工程結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

3) 通過(guò)光纖光柵智能拉索循環(huán)加載、卸載試驗(yàn),對(duì)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。結(jié)果表明,光纖光柵智能拉索線性度誤差≤2.86%,遲滯誤差≤1.53%,重復(fù)性誤差≤2.40%,總精度誤差≤4.03%。該光纖光柵智能拉索具有良好的監(jiān)測(cè)性能,為解決索力監(jiān)測(cè)難題提供了新方法。

4) 工程應(yīng)用中,光纖光柵傳感器能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)拉索荷載。索體張拉完成后,光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)荷載與千斤頂荷載誤差最大為2.95%,驗(yàn)證了光纖光柵傳感器索力監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。