分布式光纤光栅传感技术在混凝土梁监测中的应用.pdf

5 2 江苏建筑 2 0 1 0年第 3期( 总第 1 3 4期 ) 分布式光纤光栅传感技术在混凝土梁监测中的应用 蒋 程 洪 万 ( 东南大学 土木 工程 学院 ， 江 苏南京2 1 0 0 9 6 ) 摘 要】 文章首先介绍了 分布式光纤光栅传感技术监测混凝土梁的原理， 然后进行 了实验梁的静栽实验。结果表明： 通 过与理论值 、 传统电阻式应 变片的测量值进行 比较， 光纤光栅传感器的测量数据具有足够的精度和良好的可靠性。 关键 词 光纤光栅传感器； 混凝土梁； 分布式应变 中图分类 T U 3 7 5 1 文献标识码】 B 【 文章编号】 l 0 0 5 6 2 7 0 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 5 2 0 3 App l i c a t i o n o f Di s t r i b u t e d FBG Te c hn o l o g y i n Co nc r e t e Be a ms S t r a i n M o n i t o r i n g J I ANG C h e n g HONG Wa n ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 6 C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n t h i s p a p e r ， t h e p r i n c i p l e o f t h e d i s t r i b u t e d F B G t e c h n o l o g y f o r r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms mo n i t o r i n g w a s i n t r o d u c e d f i r s t l y ， a n d t h e n a n e x p e ri me n t a l r e i n f o r c e d b e a m u n d e r s t a t i c l o a d wa s s t u d i e d T h e r e s u i t s s h o w t h a t c o mp a r e d wi t h t h e t h e o r e t i c a l v a l u e a n d t he me a s u r e me n t s wi t h t r a d i t i o n a l s t r a i n g a u g e FBG t e c h n o l o g y o wn s e n o u g h a c c u r a c y a n d r e l i a b i l i t y Ke y wo r ds ：FBG；c o n c r e t e b e a m；d i s t r i b u t e d s t r a i n 0前言 混凝土结构的健康状况直接关 系着各种基础 设施尤其 是生命线工程 的安全 ，从而影响国家经济和人民生命财产 的安全。因此 对混凝土结构实施长期健康监测非常必要 。 然而混凝土结构 的损伤往往具有很强的离散 性和局部 性 ， 且经常会在结构使用若 干年后才出现损伤 ， 因此导致传 统测量方法在混凝土结构健康监测领域效用有限。 一方面 ， 点式测量一般比较难捕捉到结构 的局部损伤 ； 另一方面， 传 统的传感器的耐久性也备受质疑。 近年来 ，分布式光纤传感技术 日益受到 国内外学者和 工程人员 的青 睐 1 2 3 1 ， 其中 以光纤布拉格光栅 ( F B G) 最为 瞩 目。F B G具有精度高 、 抗电磁干扰 、 耐腐蚀等优点 ， 而且光 纤 光栅传感器 比较方便在一 根光纤 内串联成光纤 光栅 阵 列 ， 构成分布式监测系统。与传统 的点式传感器相 比， 具有 无 法 比拟 的优 越 性 。 为了考察分布式光纤光栅传感技术在混凝土结构健康 监铡 中应用的效果 ，本文在某混凝土梁上下表 面布设多个 光栅传感器 ， 形成分布式测量系统 ， 测量混凝土梁在加载过 程中的应变变化 并将此结果与应变片结果 、 理论计 算值 等 进行 了对比与分析。 l 光纤光栅传感原理 光纤布拉格 光栅 ( F B G) 本质是一段光纤 ， 其纤 芯 中具 有折射率周期性变化的结构。 目前 其工作原理都是基 于对 布拉格光栅 中心波长 的测量 ， 通过测量由外界扰动引起 的 漂移量 的测量 ， 得到压力 、 应力与温度等待测量 。 根据耦合模 式理 论 ， A 与光纤纤 芯有 效折射率 n 以 及 光 纤光 栅 长 度 周 期 A 相 关 ， 存 在下 述 对 应 关 系 ： A 2 n A ( 1 ) 外界温度或应力作用于光纤光栅时 ，改变了光纤光栅 的有效折射率和周期 ， 导致反射光的中心波长值发生漂移 ， 关 系 为 ： A ( 1 - P ) A e A R + ( d ) A T A B ( 2 ) 式( 2 ) 中， A 为反射光中心波长变化量 ， A e为应 变变 化量 ， T为温度变化量 ， P 为光纤有效 弹光系数 ， 0 【 和 分 别为光纤 的热膨胀系数 和热光系数。故光纤光栅反射光 中 心波长变化量与外界温度或应变变化呈线笥关系。 但单独 的 F B G传感器无法 区分 由应变和温 度引起的 。为了去除环境温度波 动对应变测量 的影响 ， F B G传感 器在作应变测量时 ， 均需采取温度补偿措施 。 2实验梁的设计 与传感器的布设 本次实验在东南大学混凝土及预应 力混凝土结构教育 部重点实验室进行 ， 实验构件 、 加载及测 量装置如图 l和图 2 所示 。试验梁为 C 3 0混凝土的矩形梁 ， 受拉 主筋为 4根 1 4In in的 H R B 3 3 5 螺纹钢筋 ，截面尺寸为 2 O 0min x 4 0 0m i l l ， 长 3 8 i n ， 考虑支座宽度 ， 实际净跨 3 6 m。采用 四点液压静 力加载方式 ， 加载点位于梁 实验跨段的三分点处 ( 实际考虑 稿 日 2 0 0 9 0 4 1 3 作者简介 蒋 程 ， g ( 1 9 8 9 一 ) ， 东 南 大 学 土 木 工 程 学 院 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 0年第 3期 f 总第 1 3 4期 ) 5 3 图 1 试 验 装 置 、 加 载 及 测 试 眦 光纤光栅 电 阻 应 变 图 2 试 验 梁 配 筋 与 传 感 器 布 设 到 分 配 梁 的 长 度 ， 加 载 点 各 向 内收 了 5 o m) 。 F B G传感器沿梁纵 向全长布设 ， 标距共有两种 ， 分别 为 5 0 0 m m和 7 0 0 m m。 各传感器均在用玄武岩套管封装后 ， 用 环氧树脂固定在混凝土的上 、 下表面。 为了能够在 混凝土开 裂 后 能 够 继 续 有 效 测试 结 构性 能 ，该 实 验 中采 用 了长 标 距 F B G的方法 即 F B G测试 的结 果为一个标距 内的结构平 均 应变 。 作为 比较 ， 在梁纯弯段布设 了两个电阻式应变片。 具 体 布 设 如 图 2所 示 。 3试 验 结 果 与 分 析 3 1 理 论 分 析 梁开裂之前 ， 处于弹性阶段 ， 容易得到梁底受拉应 变和 梁 顶 受 压 应 变 。 梁开裂后 根据按照规范进行刚度折减 ， 荷载作 用下的 截面 刚度 日 按下 列公式计算 ： 硒 ( 3 ) 式( 3 ) 中 为裂缝 问纵向受拉 钢筋应变不均 匀系数 。 混 凝土梁在开裂后 ， 中和轴 发生变化 ， 经理论分 析 ， 对 常用的 混凝 土强度等级及配筋率 裂缝截面处内力臂 长度系数可 以近 似 取 0 8 7。 计算 梁底应 变需 根据平 截面 似定 得到 的平均 曲率 公 式 ： = = 篑 = 等 c 4 ， 由式 ( 4 ) 求 得受拉 区应变 与收压 区应变之和 ， 再按照 内 力臂 长度 系数 ， 可得出梁底 和梁顶处 的理论应变值 。 3 2 试 验 结 果 分 析 3 2 1 跨 中纯 弯段 应 变 比较 图 3 跨中弯矩一 应变 关系 四点加载模式下 ， 跨 中段是纯弯段 ， 即该段 的应变是均 匀 的。 为了比较 F B G的传感精度 ， 特将跨 中段的两个 F B G、 两个应变 片以及理论计算值进行 比较 ，并将结果绘制在 图 3中 。 可以看 出 F B G、应变 片和理论 值之 间能够很好 地吻 合 ， 尤其 在混凝 土开裂前 ， 混凝土开裂后 ， 数据离散增强 。 在 混 凝 土 开裂 之 前 。 F B G测 试 值 和 理 论 值 的 平 均 误 差 在 5 _ 2 8 ， 最 大误差 为 1 8 8 ； 而开裂后 ， 平 均误 差为 1 2 5 ， 最 大误差 5 5 。值得一提 的是 ， 开 裂最 大误差发生在刚刚 开裂 时。 刚开裂时 ， 结构 的实 际刚度下降 比理论 计算 时采用 的折减值要小得 多从而导致应变理论计算偏 大较 多。但 是 ， 随着裂 缝的进一步 开展 ， 理论 刚度和实际度逐 渐接 近 ， 因此 ， 实测应变和计算应变 的偏差减小 。 3 2 2 应 变 分 布 比较 在实际结构 中。 损伤发 生位置往往具有 随机 性 ， 因此 ， 分 布 式 测 量 的概 念 显 得 尤 为 重 要 。本 试验 运用 分 布 式 光 纤 光栅传感技术 的原理 ， 测得梁单元 内平均应变 ， 并非像传统 应变仪以一点 的应变值代替一段的应变 ， 因此精度更高 ， 测 得梁底和梁顶 各段在开裂前 、后 的应变 ，并与理论 值相 比 较 ， 具体见 图 4 图 7所示 。 图 4和 图 5分别 为 混 凝 土 开 裂 前 的 分 布 式 拉 、 压 应 变 测试 结果 ， 容易发现测试值 与理论值非常接近 。但是 ， 相对 2 口 。 1 T 5 】 曲 ： 01 o 0 髫 5 0 图 4混 凝 土 开 裂前 受拉 区边 缘 的 拉 应 变 分 布 。 一2 5 ： T l 髫 一 s 一 1 6 0 一l T 5 2 o 0 图 5 混凝 土开裂前受压区边缘的压应变分布 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 0年第 3期( 总第 1 3 4期) um l B l o O 一 1 l ：lO fiG eO 0 o O I 呻 图 6混 凝 土 开裂 后 受 拉 区边 缘 的 拉 应 变分 布 图 7混凝 土 开 裂 后 受压 区边 缘 的压 应 变 分 布 而言受拉区边缘 的拉应变的测量误差较小，最大的应变误 差后在 2 5 8 ， 相对误差为 1 6 7 。受压区边缘 的压应变实 测值 与理论值误差较大 ， 最大应变误差接近 3 0 s ， 相 对误 差超过 2 0 。在本试验 中 ， 梁顶贴 的光纤光栅实 际是贴在 距梁顶有一段距离的地方 ，因此测得的应变并非是粱顶端 应变的准确值 ， 而应该 比理论计算要小一些 ， 图 6反映出这 一 问题 。 图 6和图 7分别为混凝土开裂后的分布式拉 、压应变 测试结果 ， 可知实测值与理论值具有一定的吻合度。 但是相 比开裂前 。误差明显增大。拉应变的最 大误差发生在刚开 裂 ， 达到 2 0 0 左右， 原因与上文中的分析一致 。 相对拉应 变测量 ， 压应变的测试误差较小 。相对开裂单元 ， 未开裂单 元 的测 量误 差 明 显 减 小 。 3 2 _ 3 单元开裂荷载识别 混凝土开裂后 相应单元 的截 面抗弯刚度将有 明显 的 减小 ， 换种说法 就是损伤单元的应变将 会增 大很 多。图 8 是各个荷载等级 下的 F B G荷载一 应变关 系。 从 图 8 中 可 以明显的看出 ， 布置在 1 、 6位置处 的光纤光栅 F 1 和 F 6测 得的荷载一 应 变斜率在 9 3 k N左右时发生突变 ， 而 F 2和 F 5 图 8荷载 一 应 变 关 系 在 6 3 k N左 右 时 发 生 突 变 。 F 3和 F 4在 4 5 k N 左 右 时发 生 突变。 这些 突变点就是混凝土开裂后刚度变化的时刻 ， 由此 可用来判断各单元是否开裂。 4结 论 文章介绍 了分布式光纤光栅传感技术 ，并将分 布式长 标距光纤光栅传感器用于测量混凝土 的拉 、 压应变 ， 静载实 验结果与应变片结果 、 理论计算值具有 良好 的吻合度。 同时 利用其分布式测量信息 ，可以准确捕捉到混凝土各 区段的 开裂损伤。 再考虑到光纤传感技术的其他优点 。 分布式光纤 光栅传感技术是完全可以在混凝土结构的长期监测 中发挥 重要作用 ， 是一种可靠、 有效的监测技术。 参 考 文 献 【 1 李志刚 ， 唐 小平 ， 孙芦 忠 基 于光纤光栅传感的混凝土 梁应 变检测 J 解放 军理工 大学学报 ( 自然科 学版 ) ， 2 0 0 5 ( 6 ) 【 2 】 孙 丽 ， 李 宏 男 ， 任 亮光 纤 光 栅 传 感 器监 测 混 凝 土 固化 收缩实验研究 J 建筑材料 学报 2 0 o 6 ( 2 ) 3 李靖 ， 刘微 分布式 F B G传感 器在 管道检 测中的应用 【 J j 石家庄铁路职业技术 学院学报 ， 2 0 0 8 ( 1 ) 4 1 毕卫红 ， 李卫， 傅广为 分布式光纤光栅实现应变和温 度的 同时测量1 J 1 光 电子 激光 ， 2 0 0 3 ( 8 ) 【 5 1 李宏男 ， 任 亮 结构健康监测光 纤光栅传 感技 术【 M 】 北 京 ： 中 国建 筑 工 业 出版 社 ， 2 0 0 8 【 6 】 Wu Z S L i S Z S t ruc t u r a l d a ma g e d e t e c t i o n b a s e d O i l s ma r t a n d d i s t ri b u t e d s e n s i n g t e c h n o l o g i e s J S t r u c t u r a l H e a l t h Mo n i t o ri n g a n d I n t e l l i g e n t I n f r a s t r u c t u r e Ou L i& Du a n ( e d s ) ， 2 0 o 5 ： 1 0 7 1 1 9 江苏省土木建筑学会暨 江苏建筑 编辑 部 向 支 持 学 会 的 学 术 交 流3 科 技 普 及 s 会 刊 编 辑 出 版 工 作 的 土 木 工 程 与 建 筑 企 事 业 单 位 ， 高 等 院 校 s 兄 弟 学 会 表 示 衷 心 的 感 谢 ! 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m