不锈钢管智能筋在钢筋混凝土结构应变监测中的应用.pdf

不锈钢管智能筋在钢筋混凝土结构应变监测中的应用张意杨阳车野莫品疆（广西交通职业技术学院，广西南宁530 0 0）【摘要】为解决光纤传感器易损、测量结果易受外界因素干扰以及布设存活率较低等问题，文章依据布里渊散射原理，基于BOTDA传感技术，通过不锈钢管封装紧皮光纤，自行研制具有监测距离长、精度高、全分布式、耐久性强等优点的不锈钢管智能筋。不锈钢管智能筋具有制备快捷的优点。通过标定不锈钢管智能筋和FRP智能筋的温度和应变灵敏系数进行分析，发现两种智能筋具有良好的温度与应变感知性能；解析试验梁应变监测数据，进行对比分析发现自制不锈钢管智能筋与FRP智能筋的应变监测精度相同，且不锈钢管智能筋的应变监测稳定性优于FRP智能筋。试验结果表明自行研制的不锈钢管智能筋能够解决光纤在粗狂式监测环境中易损的问题，同时具有监测精度高、稳定性好等优点，可对钢筋混凝土结构进行全尺度大范围的监测。【关键词】布里渊光时域分析技术；FRP智能筋；不锈钢管智能筋；光纤智能筋；混凝土应变监测【中图分类号】TU37Application of Stainless Steel Tube Intelligent Reinforcement in Strain MonitoringAbstract:In order to solve the problems such as the vulnerability of optical fiber sensors,the susceptibility of measurement resultsto external factors,and the low deployment survival rate,based on the Brillouin scattering principle and the BOTDA sensing technology,a stainless steel tube intelligent reinforcement with the advantages of long monitoring distance,high accuracy,full distribution,andstrong durability was developed.By calibrating the temperature and strain sensitivity coefficients of stainless steel tube intelligentreinforcement and FRP intelligent reinforcement,it was found that the two types of intelligent reinforcements have good temperature andstrain sensing performance;after analyzing the strain monitoring data of the test beam,it was found that the strain monitoring accuracyof the self-made stainless steel tube intelligent reinforcement was the same as that of the FRP intelligent reinforcement,and the strainmonitoring stability of the stainless stel tube intelligent reinforcement was better than that of the FRP intelligent reinforcement.The testresults showed that the self-developed stainless steel tube intelligent reinforcement can solve the problem of optical fiber vulnerability inrough monitoring environments,and has the advantages of high monitoring accuracy and good stability,which can be used for full-scaleand large-scale monitoring of reinforced concrete structures.Key words:Brillouin optical time domain analysis technique;FRP intelligent reinforcement;stainless steel tube intelligentreinforcement;optical fiber intelligent reinforcement;concrete strain monitoring引言水坝、桥梁、隧道等大型钢筋混凝土结构在土木工程领域逐渐出现，这些大型结构所处环境复杂，服役时间长，使用期间洪水、地震等自然因素导致其产生不可避免的损伤。因此结构工程的健康监测逐渐发展成一项重要的研究课题。常规的结构工程健康监测传感器有弦式、电感式、电阻应变计式等，这些传感器虽然使用方便，但是存在一定的局【收稿日期】2 0 2 2-0 9-2 9【基金项目】光纤智能筋在钢筋混凝土结构应变监测中的应用（JZY2020KAZ02）。【作者简介】张意（1994一），男，河北石家庄人，供职于广西交通职业技术学院，硕士，研究方向为大跨度拱桥大跨度拱桥与悬索桥设计与施工技术、结构健康诊断与维修加固。-24-【文献标识码】Aof Reinforced Concrete Structures【文章编号】10 0 8-1151(2 0 2 3)0 4-0 0 2 4-0 5限性。检测范围小，无法满足大型结构的监测要求；传感器成活率低，监测稳定性差；自动化程度低，覆盖率有限，集成度差。直至光纤类传感器问世，这些问题逐步得到解决。与传统传感器相比，光纤类传感器具有抗电磁能力强、灵敏度高、受环境影响较小等优点!。分布式光纤传感系统是根据沿线光波分布参量，获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量的分部信息，可以实现长距离、大范围的连续长期传感2,3。目前已知光纤中存在三种散射现象：瑞利散射4、拉曼散射5、布里渊散射6 。其中布里渊散射又可分为自发布里渊散射与受激布里渊散射7 。布里渊散射传感技术具有测量精度高、传感长度长、技术手段成熟等优势。1BOTDA光纤传感原理Horiguchi等8 基于光纤的受激布里渊散射原理，于198 9年发明了BOTDA传感系统。本文基于布里渊光时域分析技术（BOTDA）监测钢筋混凝土梁的应变。Probe光和Pump光从纤体两侧入射，采用光纳仪测量频率，计算频率差和相应位置的布里渊频移变化量，并将其带入公式（1)，即可得出相应的温度和应变变化量，从而达到对混凝土结构进行健康监测的目的，其工作原理如图1所示。工脉冲光测量位置泵浦光源受激布利渊散射光信号探测器应变散射光功率碳纤维和环氧树脂，将光纤、填充物和封装材料进行粘接，使其具备更好的协同变形能力，紧皮光纤与碳纤维完全填充钢管后，熔接FC/APC单模单芯光纤跳线接头，对接头处进行加固，等待环氧树脂完全凝固，不锈钢管智能筋制作完成。通过对比发现，FRP智能筋制作工艺较为复杂，不仅需要大型工业设备，而且还要辅以在高温环境中断。而不锈钢管智能筋制作相对便捷，局限性较小，能够结合施工工况在现场进行制备。两种智能筋分别如图2、图3所示。连续光巫探测光源图2 FRP智能筋B长度区段VBVB图1BOTDA工作原理示意图BOTDA传感技术中，测量光纤的应变变化量、温度变化量与布里渊频移变化量的关系可表示为下式：dv,()dv,(T)V;(e,T)=V,(0)+(T-T)(1)十dedT式中：v,(c,T)为测量光纤在应变、温度T时的布里渊频移量；V,(O)为测量光纤在应变8 o、温度To时的布里渊频移量：一分别为调量光纤的应交灵做系数和温度灵做系数；（-s。）(T-T.)分别为测量光纤的应变差和温差。本试验依据受激式布里渊散射原理和BOTDA传感技术自行研发不锈钢管智能筋，为检验其在钢筋混凝土结构中的应变监测性能，采用南通智信科技有限公司生产的直径为5.5mm的FRP光纤智能筋作为试验对照组。FRP智能筋是通过热熔的封装方式，将玻璃纤维和环氧树脂包裹于监测光纤外部而制成的光纤传感器，不锈钢管智能筋则是将封装材料替换为空心钢管和碳纤维。2不锈钢管智能筋的制备与标定2.1不锈钢管智能筋的制备光纤传感器相较于传统传感器，具有精度更高、测距更长等优势，为保障在混凝土内部进行应变监测，需要对光纤进行适当的封装保护，本试验采用的不锈钢管智能筋是以不锈钢管作为封装材料。本试验采用外径为6 mm、内径为5.2 mm的不锈钢管作为封装材料，在穿入光纤的过程中，在钢管内部填充抗拉拔图3不锈钢管智能筋2.2不锈钢管智能筋的标定通过推导，可将布里渊频移量与温度、应变的关系简化如下：V,=CAT+C,Ac式中：V,为布里渊中心频率；C为温度灵敏系数；C,为应变灵敏系数。从公式（2）中可以看出，布里渊频移量受到温度和应变的双重影响，因此需要采用单一变量控制法进行试验，分别标定出光纤传感器的温度灵敏系数和应变灵敏系数。温度灵敏系数标定：将光纤智能筋水平放置于热风循环管内部，使其保持无应力状态9，在其表面粘贴温度传感器，通过热风循环机进行加热，使热风循环管内温度场发生梯度式变化，实时记录试验温度与布里渊中心频率变化，标定装置如图4所示。图4温度灵敏系数标定装置(2)-25-图7 内置不锈钢管/FRP智能筋的试验梁拟合试验结果得出：光纤智能筋的布里渊中心频率随温度升高而增强。FRP智能筋的温度-布里渊中心频率线性方程为：f=0.00129T+10.81274；不锈钢管智能筋的温度-布里渊中心频率线性方程为：f=0.00138T+10.81757。两条曲线线性相关系数均大于0.9 9。应变灵敏系数标定：将光纤智能筋锚固于反力架上，并在其中部粘贴电阻应变片，粘贴位置如图5 所示。在反力架端部安装压力环传感器，用穿心千斤顶张拉光纤智能筋，对其进行应变灵敏系数标定，记录电阻应变片均值和布里渊中心频率变化量，布置方式如图6 所示。resistancestrain gageFiberopticsmartbarsteel strand图5 应变片在光纤智能筋上的布设图图8 实验加载布置图3.2不锈钢管智能筋和FRP智能筋的应变监测趋势对比分析试验完毕后，量取两种光纤智能筋的监测范围，输出中心频率数值，剔除温度干扰，拟合并绘制二者的应变曲线，如图9、图10 所示。图6 应变灵敏系数标定装置经标定得出：FRP智能筋的应变-布里渊中心频率关系曲线为：=2 0.8 16 6+5.3 4 115 10 ，线性相关系数为0.9 8；不锈钢管智能筋应变-布里渊中心频率线性方程为：=10.8 5 9 8 2+4.14 2 9 2 10-，其线性相关系数为0.9 7。2.3结果分析温度与应变标定试验得出：自行研制的不锈钢管智能筋标定结果的线性与重复性较好，对温度和应变的变化感知较为灵敏，说明采用不锈钢管封装，制成的光纤智能筋保留了光纤的温度和应变监测特性。3不锈钢管智能筋的应变监测性能研究试验流程3.1制作截面尺寸为hxb=300mm200mm，长为3 0 0 0 mm的钢筋混凝土试验梁，将钢筋骨架和模板固定好后，再将FRP智能筋和不锈钢管智能筋置于试验梁中，浇筑养护完成后进行弯曲试验，如图7 所示。试验采用跨中加载的方式，边界条件为简支如图8 所示。本次试验以5 kN为一级，逐级加载至3 5 kN，反复加载三次。-26-6.8kN30010.5kN+15.0kN19.9k250-24.3kN一3 0.2 kN200-34.4kN150-=1000-507.58.08.59.09.510.010.511.0Beam Length(m)（a）第一次加载应变趋势300-250200150-5100500-50-7.55.9kN11.1k15.4kM19.2kN25kN29.5kN34.7kN8.08.59.09.510.010.511.0Beam Length(m)（b）第二次加载应变趋势5.2kN30079.8kN15.7kN+20.9kN25025kN30.1kN200一35kN150=100-0-50-7.58.08.59.0.9.510.010.511.0Beam Length(m)（c）第三次加载应变趋势图9 FRP智能筋应变趋势图300250-200-3150100-50-08.08.59.09.510.010.511.011.5Beam Length(m)（a）第一次加载应变趋势300250-200-315050-08.08.59.09.510.010.511.011.5Beam Length(m)（b）第二次加载应变趋势300-250-200-150-urens10050-0-508.08.59.09.510.0 10.511.011.5Beam Length(m)（c）第三次加载应变趋势图10 不锈钢管智能筋应变趋势图由图9、图10 可知以下方面。通过封装后制成的不锈钢管智能筋，其沿梁长方向的应变监测数据均匀连续。裸光纤传感器埋于结构内部时，经过混凝土的浇筑与振捣，损坏率极高，通常无法监测到结构内部变化，自制的不锈钢管智能筋克服了裸光纤易损的缺点，使光纤可用于混凝土结构内部的应变监测，同时保留了光纤的分布式测量特点。一一对比自主研发的不锈钢管智能筋和FRP智能筋，二者所监测到的应变数值为正，且随荷载逐级增大，两种光纤智能筋所测应变数据也不断变大。测量数据与钢筋混凝土受弯构件的理论假设相同，这说明两种光纤智能筋所反映的钢筋混凝土受弯构件的应变趋势一致。一两种光纤智能筋都反映出：在同样的荷载作用下，试验梁跨中位置附近应变较大，越靠近支座位置应变值越小，6.2kN一13.5 kN16.4kN+23kN27.5kN一3 0 kN35.2kN6.8kN11.2kN17.5kN22.5kN26.8kN30kN34.5kN-6.2kN11.6kN15.7kN+20.8kN一2 5 kN30.1kN34.5kN应变变化趋势呈峰形分布。光纤智能筋所监测沿梁长方向的应变分布趋势与单点加载的混凝土简支梁受弯构件模型理论假设是一致的。一从图10 中可以看出不锈钢管智能筋的变化趋势较为平滑，并未出现较多的波动点，采用粘贴式裸光纤监测结构应变时，试验结果中会出现多波峰的现象，且数值变化波动较大。产生这种情况的原因是：相较于光纤智能筋，裸光纤更易受到外界信息干扰 10 。自行研发的不锈钢管智能筋相较于裸光纤而言受外界环境因素干扰较小，所测数据更接近真实值。一对比自制的不锈钢管智能筋监测结果所显示的变化趋势线和FRP智能筋的监测结果趋势线，FRP智能筋的监测结果趋势线中出现较多的波动和应变突变现象，自制的不锈钢管智能筋的监测结果趋势线更为平滑，从支座到跨中位置，应变增长均匀，与钢筋混凝土受弯构件的理论模型趋势更为接近。如果对不锈钢管智能筋的外表面进行粗糙加工处理，例如磨砂、做出螺纹肋、添加固定环等措施，以增加不锈钢管智能筋与混凝土之间的粘结力，提高二者协同变形能力，不锈钢管智能筋的应变感知性能会更加敏感。3.3不锈钢管智能筋和FRP智能筋的数据对比分析对比L/4和L/2测点位置处三次加载试验结果，将不锈钢管智能筋和FRP智能筋的数据进行对比，如图11、图12所示。hntrstrain50-trainthird loodeddedheirsthehird140-30-2010-0-5stainlstainless wteel tuhe istelligent rel0510152025303540Load(kN)图11L/4测点数据对比图8teetube_intelligentreinforcenimt strm-27-4结论3002500200)150-100500-5图12 L/2测点数据对比图对比图11、图12 可以看出在L/4和L/2测点位置，不锈钢管智能筋和FRP智能筋均显示出试验梁的应变整体呈上升趋势，说明自制的不锈钢管智能筋和FRP智能筋的应变监测趋势一致。通过对比三次加载试验结果，对比图9、图10 的应变测量数据，发现在L/4测点位置处不锈钢管智能筋和FRP智能筋的应变监测结果出现较大的波动情况，但L/2测点位置处的应变测量结果整体线形较好，应变变化趋势更加直观。从荷载由0 kN变化至3 5 kN,L/4测点位置处的最大应变变化值AeL/4max50c，L/2 测点位置处的最大应变变化值A&L/2mx280e，可以看出在结构应变变化较小时，两种光纤智能筋的监测数值均存在偏差。从图12 可以看出，在L/2测点位置处，FRP和不锈钢管智能筋的应变监测结果较为接近。经过三次加载，不锈钢管智能筋和FRP智能筋的应变监测结果线性明显，在换算截面法中，对于钢筋混凝土受弯构件，混凝土开裂后，钢筋未屈服前仍可看做弹性阶段，公式推导如下：(4)式中L：梁长；y：测点与中性轴间的高差；Iz：截面惯性矩；E：弹性模量；F跨中荷载；：应变。可以看出荷载F与应变间成一阶线性关系，与自制不锈钢管智能筋和FRP智能筋的监测结果相同。对比不锈钢管智能筋三次加载试验结果，发现在L/2测点位置，同一级荷载作用下，不锈钢管智能筋的三次应变监测结果一致，说明不锈钢管智能筋具有较好的应变监测稳定性、可重复性和耐用性。对比L/2测点位置处不锈钢管智能筋和FRP智能筋的应变测量均值，从5 3 5 kN其相对误差依次为：2 7.8%、12.9%、1.7%、5.2%、1.9%、2.1%、2.0%。说明当钢筋混凝土结构应变较小时，两种智能筋的应变监测性能较差，且不稳定。当荷载超过15 kN时，结构应变不断增大，两种智能筋的监测结果较为接近，即不锈钢管智能筋和FRP智能筋在应变变化较大的结构中具有更好的应变监测性能。ThfirsttInelaf tis atair ansatosl ite in-lentreyarenstrtdfftt1aaltehinte1015202530I.oad(kN)Ly&=F21,EcintTain11一是自行研制基于BOTDA监测系统的不锈钢管光纤智能筋，在保留光纤类传感器全分布式的应变监测特性的基础上，克服了其易损的缺点，使光纤类传感器可以埋置于结构内部进行应变监测，且有效降低了外界噪声等不利因素对光纤传感器的应变监结果产生的影响。二是自行研制的不锈钢管智能筋受局限性较小，制作更加简单快捷。三是通过温度和应变灵敏系数标定试验，说明自制的不35锈钢管智能筋对温度和应变变化感知敏锐，可用于钢筋混凝土结构的温度和应变监测。四是通过应变监测趋势结果发现：相较于FRP智能筋，不锈钢管智能筋的应变监测结果更接近钢筋混凝土受弯构件的理论应变变化趋势，其应变监测性能优于FRP智能筋。五是通过对比测量数据说明：当结构应变变化较大或产生开裂时，不锈钢管智能筋能够较好地反映这一变化，应变监测结果线性明显，重复性较好，吻合度较高，且监测结果较为准确。【参考文献】1】钱振东，黄卫，关永胜，等.BOTDA在沥青混凝土铺装层裂缝监测中的应用 东南大学学报(自然科学版),2008(5):799-803.2 侯俊芳，裴丽，李卓轩，等光纤传感技术的研究进展及应用 .光电技术应用，2 0 12，2 7(1):4 9-5 3.3 王燕花新型光纤传感系统的研究与实现 D.北京：北京交通大学，2 0 0 9.4 KAPRON F P,MAURER R D,TETER M P.Theory ofbackscattering effects in waveguides.Applied Optics,1972,11(6):1352-1356.5 LEES G P,LEACHA P,HARTOG A H,et al.1.64m pulsedsource for a distributed optical fibre Raman temperaturesensorJ.Electronics Letters,1996,32(19):1809.6IPPEN E 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