分布式光纤监测混凝土梁的应变传递系数与布设工艺.pdf

第 卷第 期 年 月土木工程与管理学报 .:./.收稿日期:修回日期:作者简介:王任雅弘()女湖北武汉人硕士研究生研究方向为结构健康监测(:.)通讯作者:徐文胜()男湖北武汉人博士高级工程师研究方向为结构无损检测及性能评估(:.)基金项目:国家重点研发计划()国家自然科学基金()分布式光纤监测混凝土梁的应变传递系数与布设工艺王任雅弘 徐文胜 杨佳男 左光亚 王 振(.华中科技大学 土木与水利工程学院 湖北 武汉 .武汉华中科大检测科技有限公司湖北 武汉 .中核武汉核电运行技术股份有限公司 湖北 武汉)摘 要:分布式光纤由于其长距离、分布式、实时在线监测适用于土木工程结构的健康监测 本文基于光频域反射技术()的分布光纤技术在型钢构件和混凝土梁外表面分别布置光纤传感器及传统电阻应变片验证光纤监测数据的有效性探究钢梁表面光纤封装厚度对应变传递系数的影响及一种适合混凝土表面的光纤布设方式 试验结果表明:分布式光纤传感器能够对结构应变、损伤开裂进行准确的监测可以有效弥补应变片易损及测试精度不足 在相同布设条件下.分布光纤与 分布光纤在光滑的钢梁表面应变测试偏差率与理论计算应变传递系数差值基本符合 推荐的一种分布光纤表面粘贴布设方式可以弥补传统布设工艺的缺点在小应变时测试更准确关键词:分布式光纤传感器 应变传递系数 有限元模拟 光频域反射计 布设工艺 对比研究中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.第 期王任雅弘等:分布式光纤监测混凝土梁的应变传递系数与布设工艺:近年来光纤传感技术不断发展分布式光纤应变传感技术具有分布式、高精度、实时性、抗腐蚀、抗电磁干扰等特点非常适用于大型土木工程结构的分布式应变检测已在桥梁检测、隧道健康监测、边坡工程等领域得以应用对于分布式光纤传感器监测混凝土的研究主要经历了从光时域反射技术()到布里渊光时域反射技术()和布里渊光频域反射技术()和光频域反射技术()在裂缝监测中的应用 简单对比如表 表 分布光纤传感器解调技术对比解调技术散射原理 空间分辨率/应用 布里渊散射.长距离应变测量瑞利散射约 长距离光纤链路诊断瑞利散射短距离高分辨应变 孟凡勇将 技术运用于管道防破坏预警系统发现带有铠装保护的传感光缆降低了传感光纤的检测灵敏度使检测到的入侵振动信号失真 因此有必要对光缆结构、加工工艺等影响传感光缆性能的因素进行研究分析 谢冰冰将 技术用于隧道变形监测并研究了分布光纤的布设工艺初步解决了光纤护套的选型问题但由于其测试精度及布设长度等因素并未发现不同布设方式的测试应变区别 张俊家提出了基于 技术的支护结构测试技术和微小裂缝识别测试技术但由于其测试精度的限制没有对裂缝处的应变测试值进行定量分析王桂萱等研究了不同封装分布光纤的应变传递系数对比但将应变片测试值作为基体应变且简化了粘贴层对计算参数的影响针对短距离高精度的应变监测情况分布光纤传感器的封装与布设对光纤应变传递系数有较大的影响 本文利用 原理的分布式光纤 原理的准分布式光纤传感器及传统电阻应变片分别展开室内工字钢梁与混凝土梁的四点抗弯实验探究光纤布设工艺与封装技术对应变传递系数的影响相较传统方式更适用混凝土表面的布设工艺 光纤传感技术与应变传递系数.技术原理分布式光纤感测技术主要基于光纤中的 种散射光即布里渊()散射光、拉曼()散射光和瑞利()散射光 其中 技术是一种基于瑞利散射光变化的应变测量技术其工作原理如图 所示 技术的空间分辨率与探测器带宽无关而与频谱分析精度有关故可以获得远高于传统光时域反射分析类分布式感测技术的空间分辨率与精度测试精度可达到毫米级别tunablelight sourcecouplerfixed mirrorreflectedlightphoto detectorspectrumanalyzertest fiber图 工作原理示意.光纤应变传递系数光纤的主要材质是二氧化硅既可以作为传感器又可以作为传输介质 光纤一般由裸光纤和封装层组成带有封装层的光纤被称作光缆如图 由于裸纤的纤芯和包层都是玻璃材质导致裸纤极易脆断应用到实际工程中很不方便因此工程常用的大多是有外部封装层的光缆 光缆种类丰富有单层封装和多层封装单层以聚氨酯材料封装为主多层则在聚氨酯材料外部封装钢绞线、玻璃纤维、碳纤维、金属基片等(a)?(b)?图 光纤示意分布光纤传感技术所获取的应变信息的精确性至关重要除了传感技术自身测量精度、空间分辨率限制外影响分布式光纤传感技术测试精度的因素还包括传感光纤与基体间的应变传递性能如图 所示 理论模型分析时引入如下假定:()各中间层材料为线弹性光纤不直接承受 土木工程与管理学报 年外力通过中间层剪应力使其产生应变()纤芯和包层物理特性相同()各粘结层之间粘结紧密不存在相对滑移?Lrmrcrgmcgrx图 光纤受力示意等推导了纤芯层的平均应变为:()()()()应变传递系数公式为:()()()式中:为纤芯应变为基体应变 为采样点的空间位置 为分布光纤测试总长度的/为中间层的相关参数毛红鸿等根据多中间层剪滞理论在此基础上进一步研究得到光纤与基体之间的应变传递公式:()()()()平均应变传递公式为:()()()()()()()()()()/()()式中:为粘贴宽度为光纤纤芯半径为涂覆层距纤芯的距离为保护层距纤芯距离为光纤的弹性模量为涂覆层弹性模量为保护层弹性模量为涂覆层剪切模量为保护层剪切模量既有研究成果中与应变传递率呈正相关的参数有:粘贴宽度、光纤粘结长度、中间层弹性模量 与应变传递率呈负相关的参数有:光纤与基体主应力的角度、中间层的厚度 中间层的泊松比和温度的变化对平均应变传递率影响不明显本文使用的分布光纤为 高传递紧包护套应变感测光缆通过聚氨酯弹性体或者 料等高包裹性材料封装保护材料弹性模量参数来源于生产厂家测试 在假设粘贴宽度 粘贴厚度 分布光纤粘贴长度 粘接剂弹性模量取 时.分布光纤使用 护套单模纤芯护套弹性模量为.中间层系数 值 约 平均应变传递系数.分布光纤使用聚氨酯护套单模纤芯护套弹性模量为.中间层系数 值约平均应变传递系数.二者相差.随着采样点空间位置变化的理论应变传递系数如图 所示 分布式光纤随着布设长度以及作用荷载的不断增加两边应变传递有损耗中间部位能够接近理论值 光纤布设时建议在指定测试段kk=5421631.00.80.60.40.200.940.960.981.00?/m?图 应变传递系数理论计算外多粘贴大于 的粘贴总长度 表面粘贴布设工艺与光纤的标定表面粘贴是使用分布光纤进行结构监测的常见布设形式主要用于结构的应变测量优良的布设工艺可以保障分布光纤测试的准确性 本文中使用快干胶加环氧树脂作为表面粘贴分布光纤的粘贴剂 理想情况下环氧树脂完全固化后分布光纤传感器充分浸抹在环氧树脂中光纤 环氧树脂 快干胶 基体等界面耦合完好 但实际情况中存在问题:()基体表面并非完全光滑表面越粗糙表面间的有效接触面积越小 根据/产品几何技术规范()表面结构轮廓法表面粗糙度参数及其数值中定义对于打磨后 第 期王任雅弘等:分布式光纤监测混凝土梁的应变传递系数与布设工艺基体粗糙度 数值宜取.在实验时可将待粘贴基体与标有一定数值的粗糙度样板比较来确定被测表面粗糙度数值()为使光纤更好地测试微小应变在粘贴前应将光纤拉伸至紧绷的状态 在小范围预拉时通常使用手动拉伸与辅助胶布固定在大范围预拉时需要锚固拉伸工具()环氧树脂既起到粘贴作用也起到硬化后保护分布光纤的作用胶水涂刷过厚会影响分布光纤的测量 胶水因具有流动性在使用尼龙刷、胶枪等辅助工具后仍存在 胶混合搅拌不均匀含气泡胶水的宽度与厚度不能保证一致性在晾干阶段非垂直状态下的胶水在重力作用下会下滑需要辅助可脱模、导热性能好的无机材料模板光纤传感器与解调仪的连接需要熔接带/接头的光缆 实验开始前需要标定分布光纤测试段 光纤传感器的标定与光纤的温度和应变变化有关 方法主要有两种:()改变光纤标定点处的温度如使用冷凝剂局部降温或使用热水、热风枪加热()通过对光纤产生变形标定 对于变形方式标定距离需要对光纤自由外露端进行拉伸通过测得应变变化曲线获取位置坐标 但人工变形容易损伤光纤应尽量选择方法()进行光纤定位 本文用于室内试验的小范围光纤定位选择的热水加温法选用 以上的热水通过棉签按压式点涂在定位点直至光纤应变仪出现明显信号点 型钢实验.实验目的验证分布光纤监测型钢梁的有效性探究型钢表面分布光纤的布设工艺探究光纤外径对应变传递性能的影响.测点布置及加载装置本试验采用标准的 镀锌工字钢强度等级为 尺寸为 .试验梁支承方式为简支支座距离梁端 加载点距离梁中点左右两边各 处试验中采用的分布光纤有.单模聚氯乙烯光纤 单模聚氨酯紧护套光纤规格为 电阻钢筋应变片分析仪采用:()一款基于瑞利光频域反射技术的解调设备监测范围 空间分辨率可达 传感精度为./.()静 态 应 变 测 试 系 统 软 件 应 变 量 程 最小分辨率.测点布置如图 所示810#?2?#57#?1#?3/4#?图 测点布置侧视70030070030 80300308#?9?#10#?5#?6#?7#?图 测点布置正视/其中 分布光纤为 护套光纤分布光纤为.分布光纤 加载设备 高精度伺服加载系统全程采取分级加载加载步 每个加载步持荷 最高加载至 试验前进行预加载验证试验设备是否正常 加载现场如图 所示图 加载现场.仿真使用 有限元软件建立 工字钢梁的实体模型材料属性为 材料密度为/弹性模量为 泊松比为.如图 所示图 工字钢梁的实体模型本模拟主要分析钢梁四分点加载的应变规律并与分布式光纤测量结果比较以探究分布式光纤测量的精度和布设工艺 建模采用六面体结构化网格 为了方便得出不同高度节点处的应变值网格密度沿梁高度方向采用 等间距网格沿梁长方向采用 等间距网格根据设定约束条件及加载制度进行静力分析图 为钢梁的应变模拟分析结果提取通道 分布式光纤位置处的仿真 土木工程与管理学报 年8.206106.1124.1081.9241.7052.2654.3596.4538.5471.0641.2741.4831.692-4101010101010101010101010-444544443333-xyzODB:Job-11681823121.647.odb Abaqus/Standard 3DEXPERIENCER2017x Sun Dec 05 15:24:13?2021Step:Step-1Increment 12:Step Time=6.000Primary Var:LE,Max.Principal(Abs)Deformed Var:U Deformation Seale Factor:+1.000e+00LE.Max.Principal(Abs)(Avg:75%)图 工字钢梁的仿真应变云图纵向应变数据并绘制距离 应变图结果如图 所示6007008009001000 1100 1200 1300 14000501001502002503003501235678101112?/mm?/图 分布光纤处 方向仿真应变值60070080090010001100120013001400?450?400?350?300?250?200?150?100?500?/?mm/1235678101112图 分布光纤处 方向仿真应变值600700800900100011001200 1300 1400100200300400500600700800?mm/?/1235678101112图 分布光纤处 方向仿真应变值.实验结果分布光纤监测数据由 解调仪自带的软件进行输出处理 实验结果如图 所示40030020010003.23.43.63.84.0?/?m/图 钢梁 分布式光纤监测数据从 分布光纤数据汇总图来看分配梁支座处正下方的附近拉区、压区分布光纤应变值均50050100150200250300-?/?/m3.03.23.43.6图 钢梁 分布光纤监测数据100080060040020004.64.85.05.25.4?/m?/?图 钢梁 分布光纤监测数据100080060040020005.05.25.45.6?/m?/?图 钢梁 分布光纤监测数据存在明显的峰值分析为受集中荷载导致的应力集中 钢梁压区的应力集中现象与仿真模拟一致 钢梁纯弯段总体监测数值平稳每级荷载下应变增量均匀变化应变片的应变数据由 进行采集输出后统一分析 其中 应变片在实验过程中损耗数据异常 分布光纤上对应点位数据与应变片测试数据对比如图(图中:代表应变片测试值 代表分布式光纤测试值以下同)所示4003002001000100200300-?/?0123456789 10 11 12 13?5#-SG6-SG7-SG10-SGCH1-DOF(3.282)CH1-DOF(3.582)CH1-DOF(3.882)CH2-DOF(3.296)#图 钢梁分布光纤点位数据与应变片测试数据对比 第 期王任雅弘等:分布式光纤监测混凝土梁的应变传递系数与布设工艺钢梁四点抗弯试验分布光纤可准确测量每级荷载下的应变值监测结果呈线性变化分布光纤测量结果较应变片测量结果呈现出在受拉区域偏大偏大约 在受压区域偏小偏小约 03691202004006008001000?0.9 mm?2 mm?/?图 钢梁 分布光纤跨中点监测数据对比分布光纤数据从图 来看纯弯段测量值平稳每个加载步之间应变变化均匀两种分布光纤测试值均比仿真值偏大 在相同位置相同粘贴工艺的情况下如图 所示以跨中点位为例.分布光纤测试值与 分布光纤测试值偏差率在.测试应变越小偏差率越大 根据理论计算两种光纤的应变传递系数差值约.基体部分应变由于各中间层弹性模量差异被消耗理论情况与实际情况相符 混凝土实验研究.实验目的验证分布光纤监测混凝土的准确性探究分布光纤在混凝土梁表面的优良布设工艺.试件设计与制作简支钢筋混凝土梁的截面尺寸为 梁长 混凝土强度等级为 保护层厚度为 梁纵筋为 根直径为 的 级钢筋配筋率为.架立筋为 根直径为 的 级钢筋箍筋为直径 的 级钢筋箍筋间距为 如图 所示2501501200200015025081502002 143002 20图 试验混凝土梁尺寸及配筋/.测点布设及加载制度本试验采用的传感器包括直径为.护套光纤、聚氨酯的紧护套光纤、玻璃纤维基.分布光纤、光纤光栅应变传感器()、规格为 的电阻混凝土应变片 混凝土梁正、背面布设示意如图 所示 用打磨机对梁纯弯段进行打磨保证粘贴段粗糙度达到光滑平整要求在传感器布设时均采取待粘贴基体面朝上以垂直俯视视角进行表面粘贴防止环氧树脂类胶水因重力向下流动分析仪采用:()()一款基于光纤光栅中心波长分析的解调设备监测 精 度 为./.()()一款基于布里渊光频域分析技术的解调设备监测范围 空间分辨率可达 传感精度./.50 3075025025075010#F GB11#FBG12#FBG13#FBG14#FBG5#?6#?7#?8#?9#?1#?2#?3#?4#?32#?33#?34#?35#?图 梁正面传感器布设示意/50 3010075025075025010015#18#?16#19#?17#FBG20#FBG21#24#?22#25#?23#FBG26#FBG图 梁背面传感器布设示意/玻璃纤维基.分布光纤采用传统碳纤维布覆盖后刷上碳纤维浸渍胶的布设方式如图 所示此种方式缺点在于在胶水晾干阶段前期预拉会存在部分回缩现象回缩后光纤产生微微弯曲导致对于结构微小应变测试不准确 在实际测试中存在 解调仪前两级荷载压区测试结果不稳定压区应变出现正值如图 所示图 玻璃纤维基.分布光纤布设.护套光纤 聚氨酯的紧护套光纤采用/快干胶水与环氧树脂 胶组合布设 布设过程如图 所示预拉光纤至笔直 土木工程与管理学报 年4.95.05.15.25.35.45.55.6-200-150-100-500?0?1?2?3?4?5?6?7?8?9?10?11?12?13?14?15?16?17?18?19?/m?/?图 压区测试结果紧绷状态使用辅助胶布固定光纤两头与粘贴固定宽度 快干胶使用“老鼠嘴”少量多次涂在分布光纤护套与基体间初步固定光纤晾干时间不少于半小时 等待期间进行跳线熔接红外激光笔检查光信号通路解调仪检查光纤损耗情况 搅拌 胶充分混合后使用 号尼龙刷均匀涂抹热风枪加热消除微小气泡使胶水流动均匀静置 拆下固定宽度辅助胶布静置 以上至环氧树脂完全硬化至半透明状拆下两头固定装置?图 ./紧护套光纤布设过程本试验为静载试验试验梁支承方式为简支荷载通过分配梁作用于试验梁上的两个对称点试验梁表面与支座之间用钢板垫平以确保加载的均匀性 在完成设备的预加载和验证仪表及支座可靠性后进行试验加载试验采用分级加载制度每级加载 加载至 后进行卸载每级加载完成后持荷时间 .实验结果实验梁正背面现场布设如图 所示实际开展试验时先进行预加载预加载 次每次 预加载期间检查仪器、分布式光纤、应变片、等传感器是否可正常测试以及加载装置与结构是否贴合紧密 全程共 个加载步每级加载 加载至第 级荷载时荷载达到试验梁开裂理论荷载 多种监测元件测试混凝土梁的局部应变判定混凝土梁开裂荷载及裂缝位置对比验证监测仪器数据的准确性、精度、一致性图 实验梁正面现场布设图 实验梁背面现场布设.分布光纤测试结果分布光纤解调仪自动采集每 一次综合考虑监测精度与监测效率确定分辨率为 采集内容为位置 光纤应变 分布光纤监测数据如图 所示0100200300400500600700-0.6-0.4-0.200.20.40.6?/m?/?kN/05101520253035404550556065707580859095图 分布光纤测试结果-0.6-0.4-0.200.20.40.6?/m0100200300-?kN/05101520253035404550556065707580859095?/图 分布光纤测试结果 第 期王任雅弘等:分布式光纤监测混凝土梁的应变传递系数与布设工艺020040060080010001200-0.6-0.4-0.200.20.40.6?/m?kN/05101520253035404550556065707580859095?/图 分布光纤测试结果020040060080010001200-0.6-0.4-0.200.20.40.6?/m?kN/05101520253035404550556065707580859095?/图 分布光纤测试结果由于混凝土材料的不均匀性应力分布不均匀受压区域混凝土测试结果存在峰值峰值的数值小于受拉区域的峰值 级荷载时测试曲线应变值在 附近上下波动波动范围小于 表明分布式光纤粘贴较好受拉区域 分布式光纤应变图中波峰数量变多钢筋混凝土试验梁存在较多微裂缝其中监测区域最大应变达到 分布式光纤位于试验梁底端应变峰值数据较 分布式光纤测试峰值数据多分布式光纤波峰位置基本一致且呈斜向扩展的趋势 理论上梁开裂荷载为第 级荷载在第 级荷载时分布光纤已出现明显拉区裂缝预警信号肉眼在第 级荷载加载结束后稳压阶段识别 压区两条分布光纤预警的异常信号区与最终裂缝图实际情况中的裂缝位置与走向完全符合 实验结束时所有光纤均存活良好无信号缺失现象说明此布设工艺可以为混凝土梁表面布设分布光纤提供有效室内环境保护图 混凝土实验裂缝.光纤传感器与电阻应变片测试结果对比梁正面 应变片与 传感器是同一平面相同间距布置的传感器理论上说应符合平截面假定 二者测试结果对比如图 所示020406080100?kN/5#SG6#SG7#SG8#SG9#SG10#FBG11#FBG12#FBG13#FBG14#FBG4002000200400-?/图 梁正面分布光纤与应变片测试对比应变片在开裂荷载(级)前呈线性变化开裂荷载后应变片测试结果突增测试不稳定可能因开裂造成了应变片的损害 传感器在保证粘贴工艺的情况下测试结果稳定在试验梁从受荷载到开裂带裂缝工作的这一过程中跨中纯弯段内正截面的应变基本是随着梁高而线性变化中心轴随着梁开裂逐渐上升由于应变片实际测试的是 范围内应变的平均值会出现在裂缝处测试值比实际值偏小的情况 原理的分布光纤测试分辨率为 相比应变片更贴合基体真实应变 应变片在开裂荷载后出现明显损耗 分布光纤可以弥补应变片易损耗的缺点 结 论本文结论如下:()在相同布设工艺和布设位置的情况下.护套分布光纤与 聚氨酯护套分布光纤在光滑的钢梁表面应变测试值偏差在.应变越小偏差率越大 根据理论计算两种光纤的应变传递系数差值约.基体部分应变由于各中间层弹性模量差异被消耗理论情况与实际测试情况相符()分布光纤随着作用荷载的增加两边应变传递有损耗中间部位接近理论值建议在布设光纤时两端多布置大于 总长度的分布光纤()光纤布设前的预拉环节影响基体微小变形测试 传统玻璃纤维布与碳纤维浸渍胶组合的(下转第 页)土木工程与管理学报 年 刘香香 孙 凤.基于蚁群算法的装配式建筑施工工序多目标优化模型.土木工程与管理学报():.李文杰 黄春 刘占省 等.装配式构件施工现场吊装调度建模与优化.土木工程与管理学报():.尹 静 杨阿慧 王凯晖.装配式混凝土结构塔机吊装服务调度研究.混凝土():.尹 静 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