摘　要: 利用光纖Bragg 光柵( FBG) 傳感器與電阻應(yīng)變片同時(shí)監(jiān)測(cè),完成了鋼- 混凝土組合橋面板模型混凝土頂裂縫損傷檢測(cè)。模型試驗(yàn)經(jīng)歷了靜載、疲勞(300 萬次) 和破壞3 個(gè)階段。測(cè)試結(jié)果表明無縱向承載裂縫出現(xiàn)時(shí),FBG傳感器測(cè)得相應(yīng)位置的應(yīng)變值。在破壞階段,傳感器布控區(qū)域相繼出現(xiàn)裂縫損傷。利用FBG傳感器測(cè)得了經(jīng)歷300 萬次疲勞循環(huán)后鋼- 混凝土組合橋面板模型混凝土頂發(fā)生裂縫損傷的臨界應(yīng)變值并追蹤裂縫損傷的發(fā)展。與傳統(tǒng)電測(cè)方式相比,FBG傳感器顯示了靈敏度高、精度高、測(cè)試范圍大等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:橋面板;組合結(jié)構(gòu);裂縫;光纖傳感器;橋梁檢測(cè)

中圖分類號(hào): U443. 32 ; TP212. 9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671 - 7767 (2006) 04 - 0060 - 04

　　鋼- 混凝土組合橋面板結(jié)構(gòu)可顯著減輕大跨橋梁的自重,從而得到較為廣泛的應(yīng)用。作為一種組合結(jié)構(gòu),鋼和混凝土的整體性直接影響大橋結(jié)構(gòu)的耐久性和行車的舒適性。為了工程安全,需要研究和監(jiān)控組合橋面板的承載力和耐久性,準(zhǔn)確地檢測(cè)混凝土頂裂縫損傷的發(fā)生部位、量值大小和發(fā)展過程。為此采用模型試驗(yàn)方法,研究在疲勞荷載作用下混凝土的抗疲勞開裂特性。

　　對(duì)大型結(jié)構(gòu)裂縫損傷發(fā)生發(fā)展全過程的準(zhǔn)確檢測(cè),技術(shù)難度較高,目前尚無可靠有效的方法。在模型試驗(yàn)中,一般采用電阻應(yīng)變片測(cè)試加上目視檢測(cè)等手段,只能粗略地估測(cè)裂縫損傷的出現(xiàn)。大型結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)需要更精確的、智能化的傳感元件。目前,國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)已開始采用具有一線制、分布式、高精度、微型化等優(yōu)點(diǎn)的光纖傳感器[1～4 ] 作為傳感元件進(jìn)行測(cè)試。其中光纖Bragg 光柵( FB G) 傳感器能將外部的應(yīng)變或溫度的改變轉(zhuǎn)化為反射光波長(zhǎng)的變化,成為目前為止,最有希望用于大型結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期健康檢測(cè)的傳感器件。

　　以FBG為靈敏元件的光纖光柵裂縫傳感器[5 ] ,在實(shí)際工作中,一般會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)階段:

　　(1) 彈性階段。當(dāng)荷載不太大時(shí),工程材料處于彈性階段,無損壞,這時(shí)傳感器測(cè)到的是埋設(shè)點(diǎn)處的應(yīng)變值(損壞發(fā)生前) 。

　　(2) 損傷階段。當(dāng)損傷(如裂縫) 發(fā)生后,傳感器測(cè)到的是損傷值,如縫寬等(埋設(shè)點(diǎn)處材料的彈性應(yīng)變已釋放) 。

　　由于FBG裂縫傳感器布控范圍較大,在彈性階段,其所測(cè)得的應(yīng)變值應(yīng)為該區(qū)域的平均應(yīng)變;在損傷階段,其所測(cè)得的值應(yīng)為該區(qū)域出現(xiàn)裂縫的總縫寬。本次試驗(yàn)成功地利用FBG 傳感器測(cè)出彈性階段的應(yīng)變值,與傳統(tǒng)電測(cè)應(yīng)變片測(cè)值一致;測(cè)出彈性及損傷兩階段的臨界點(diǎn),并追蹤損傷階段裂縫的發(fā)展,測(cè)試結(jié)果與目視檢測(cè)相一致,完成了鋼- 混凝土組合橋面板模型混凝土頂裂縫損傷全過程的檢測(cè)。

1 　鋼- 混凝土組合橋面板模型

　　鋼- 混凝土組合橋面板試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橐婚L(zhǎng)方形鋼- 混凝土組合板,平面尺寸為2 400 mm ×5 000mm ,底部鋼板厚8 mm ,兩翼混凝土厚120 mm ,中部混凝土厚200 mm ,采用C40 鋼纖維混凝土,鋼纖維用量為100 kg/ m3 ,摻量1. 28 % ,支撐于工字鋼梁上,承受負(fù)彎矩,如圖1 所示。光纖Bragg 光柵裂縫傳感器的安裝于混凝土澆筑完成后、試驗(yàn)開始前夕進(jìn)行,利用預(yù)埋角鋼緊固在模型表面。根據(jù)強(qiáng)度理論,不難得出模型試驗(yàn)混凝土裂縫的始發(fā)部位出現(xiàn)在由負(fù)彎矩誘發(fā)的組合橋面板的高拉應(yīng)力區(qū)。所以在相應(yīng)部位布置了4 個(gè)FB G傳感器和7 組應(yīng)變片,如圖2 所示。FBG 裂縫傳感器布控范圍450～480mm。

　　采用Inst ron24302 數(shù)字式拉伸試驗(yàn)機(jī)(美In2st ron Co. ) 對(duì)光纖Bragg 光柵裂縫傳感器進(jìn)行了檢驗(yàn)[6 ] 。結(jié)果表明:傳感器線性度好,成品質(zhì)量合格。

2 　模型測(cè)試

　　模型試驗(yàn)經(jīng)歷了3 個(gè)階段:靜載試驗(yàn)階段、疲勞試驗(yàn)階段和破壞試驗(yàn)階段。試驗(yàn)過程中注意到充分發(fā)揮光纖傳感高靈敏度的優(yōu)勢(shì),一旦在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常,都立即報(bào)出,以便及時(shí)觀察模型的物理現(xiàn)象,與其它測(cè)試手段彼此印證。

2. 1 　靜載和疲勞測(cè)試階段

　　靜載試驗(yàn)階段分為11 個(gè)加載步,從0 kN 加載到最大83. 66 kN ,加載穩(wěn)定時(shí)采集數(shù)據(jù),共進(jìn)行了3個(gè)循環(huán)。疲勞試驗(yàn)階段施加等振幅諧波動(dòng)荷載,各于振動(dòng)循環(huán)1 萬、5 萬、25 萬、50 萬、100 萬、150 萬、200 萬、210 萬、255 萬和300 萬次后,再逐級(jí)(按前述靜載階段) 施加荷載進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其中疲勞300 萬次加靜載到83. 66 kN 后,未卸載,繼續(xù)加載做破壞試驗(yàn)。圖3 (a) 為靜載第2 次循環(huán)荷載63. 52kN 時(shí),分別用FBG(短實(shí)線) 和應(yīng)變片(虛線) 測(cè)得的混凝土頂橫向應(yīng)變分布曲線。由于FBG 傳感器L1 、L2 布控位置很接近,取其平均值作為該區(qū)域測(cè)值。圖3 (b) 為靜載第3 次循環(huán)FBG裂縫傳感器L4

　　與對(duì)應(yīng)位置的5 號(hào)應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變- 荷載關(guān)系曲線。比較圖3 可以看出:兩種方法測(cè)得的模型應(yīng)變分布規(guī)律一致,數(shù)值上也相當(dāng)吻合。說明利用FBG傳感器進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)試是完全可行的。而且FB G傳感器測(cè)得的平均值較應(yīng)變片測(cè)得的局部點(diǎn)的值更為準(zhǔn)確、客觀。在靜載和疲勞循環(huán)階段,由于荷載較小,傳感器測(cè)值也變化不大,通過肉眼觀測(cè)未在傳感器布控區(qū)域發(fā)現(xiàn)縱向承載裂縫。

2. 2 　破壞測(cè)試階段

　　在破壞階段,由于MTS 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)伺服系統(tǒng)的最大噸位不能滿足將模型加載到極限破壞的要求,所以用MTS 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)伺服系統(tǒng)加載到844 kN 后(破壞前期) ,改用普通千斤頂做破壞加載試驗(yàn)(破壞后期) 。利用FBG 傳感器測(cè)出的混凝土頂應(yīng)變(縫寬) - 荷載關(guān)系曲線如圖4 所示。

　　由于L1 、L4 各位于跨中面板的左右對(duì)稱兩側(cè),L2 布設(shè)位置與L1 很接近,三者均處于由負(fù)彎矩誘

發(fā)的高拉應(yīng)力區(qū)。圖4 的測(cè)試結(jié)果很好地反映了這種對(duì)稱性,其測(cè)值遠(yuǎn)高于布控于跨中部位的L3 的測(cè)值。L1 、L2 、L4 的測(cè)值隨荷載增長(zhǎng)的變化曲線在120 kN 附近出現(xiàn)了拐點(diǎn),此時(shí)L4 讀數(shù)以應(yīng)變表示為87με。當(dāng)即目視檢查混凝土表面,在FB G 裂縫傳感器L4 布控區(qū)域未發(fā)現(xiàn)縱向承載裂縫。荷載135 kN 時(shí),FB G傳感器測(cè)值繼續(xù)明顯增大,L4 讀數(shù)以應(yīng)變表示為115. 6 με,相應(yīng)位置的千分表讀數(shù)反應(yīng)明顯,目視仍未發(fā)現(xiàn)縱向承載裂縫。至150 kN時(shí),目視發(fā)現(xiàn)L1 、L2 、L4 傳感器下方均已有連通的縱向裂縫,如圖5 所示。L3 傳感器布控部位在加載到300 kN 荷載之前,其測(cè)值非常小,只有幾個(gè)到十幾個(gè)微應(yīng)變,但在加載到340 kN 荷載時(shí),其值猛增到249με,其后保持此增長(zhǎng)趨勢(shì)直至破壞完成。說明300 kN 后,L3 布控部位已經(jīng)開裂,此后隨著荷載的增加,裂縫不斷發(fā)展,直至達(dá)成破壞。

　　在破壞階段,隨著荷載的增加,應(yīng)變片不斷損壞,只有位于跨中部位的FBG 傳感器L3 對(duì)應(yīng)的4號(hào)應(yīng)變片存活期稍長(zhǎng)。L3 布控區(qū)域出現(xiàn)裂縫損傷之后(荷載> 340 kN) ,4 號(hào)應(yīng)變片及其對(duì)應(yīng)位置的FBG傳感器L3 測(cè)值的比較如圖6 所示。由于L3傳感器布控部位已經(jīng)開始有裂縫損傷出現(xiàn),其測(cè)得值應(yīng)為裂縫寬度,在圖6 中應(yīng)按右縱坐標(biāo)讀數(shù),應(yīng)變片測(cè)值按左縱坐標(biāo)讀應(yīng)變值。

　　從圖6 可以看出,若將FBG傳感器測(cè)值以應(yīng)變表示,在裂縫出現(xiàn)初期,應(yīng)變片測(cè)值較FBG 傳感器大,但隨著荷載的增加,應(yīng)變片測(cè)值增長(zhǎng)較緩,而FB G傳感器測(cè)值增長(zhǎng)較快。這與理論分析和現(xiàn)場(chǎng)觀察相吻合。因?yàn)槊總€(gè)FBG 裂縫傳感器布控區(qū)域長(zhǎng)達(dá)450～480 mm ,在裂縫損傷出現(xiàn)前, FBG 傳感器L3 測(cè)得該區(qū)域的平均應(yīng)變,較布控于結(jié)構(gòu)跨中部位、感受最大拉應(yīng)變的4 號(hào)應(yīng)變片測(cè)值小。隨著荷載的增加,裂縫擴(kuò)展,使應(yīng)變不斷被釋放,而應(yīng)變的釋放并不影響FB G 裂縫傳感器測(cè)值(裂縫出現(xiàn)后,FB G 測(cè)裂縫寬度) ,使得應(yīng)變片測(cè)值較FB G 傳感器測(cè)值增長(zhǎng)緩慢。

　　破壞后期,隨著荷載的增大, FBG 傳感器仍保持正常工作直至結(jié)構(gòu)達(dá)成破壞。試驗(yàn)過程中, FBG傳感器測(cè)得的值比用千分表直接測(cè)量裂縫寬度得到的值要大。其原因應(yīng)為: FBG 傳感器測(cè)得的是布控區(qū)域總的裂縫寬度,包括微裂縫,而千分表測(cè)量的只是主要的幾條大裂縫的寬度,而不包括微裂縫。

3 　結(jié)　論

　　本項(xiàng)工作首次將光纖光柵傳感技術(shù)和電測(cè)應(yīng)變片同時(shí)用于完成鋼- 混凝土組合橋面板模型試驗(yàn)從靜載到疲勞再到破壞的裂縫損傷全過程監(jiān)測(cè)。在靜載與疲勞試驗(yàn)階段中,FBG傳感系統(tǒng)檢測(cè)到各級(jí)加載產(chǎn)生的應(yīng)變值,其空間分布狀態(tài)和變化過程與電測(cè)應(yīng)變片測(cè)試結(jié)果吻合,結(jié)果說明直至疲勞試驗(yàn)結(jié)束模型處在彈性階段,在裂縫傳感器布控部位未出現(xiàn)承載縱向裂縫。在破壞階段, FBG 傳感系統(tǒng)測(cè)得混凝土頂裂縫損傷發(fā)生發(fā)展的全過程,測(cè)值演變規(guī)律性良好,符合一般經(jīng)驗(yàn)和力學(xué)原理,并與目視檢測(cè)等宏觀現(xiàn)象相互呼應(yīng),驗(yàn)證了光纖光柵傳感器應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)的可行性和先進(jìn)性。在測(cè)試過程中,光纖傳感系統(tǒng)十分靈敏,存活率高,經(jīng)受住了300 萬次疲勞循環(huán)測(cè)試及破壞測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示光纖光柵傳感系統(tǒng)能夠及早測(cè)報(bào)結(jié)構(gòu)損傷的早期信號(hào)并追蹤其發(fā)生發(fā)展的全過程及其空間分布狀態(tài)。本項(xiàng)工作為橋面板組合結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了可靠有效的信息依據(jù)。

參　考　文　獻(xiàn):

[1] 楊　勇,趙鴻鐵,薛建陽. 型鋼混凝土粘結(jié)滑移性能實(shí)驗(yàn)分析[J ] . 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào),2002 , 34 (3) :205 -209.

[2] 姜德生,何　偉. 光纖光柵傳感器的應(yīng)用概況[J ] . 光電子·激光,2002 ,13 (4) :420 - 430.

[3] Denarie E , Saouma V E , Iocco A. Concrete f ractureprocess zone characterization with fiber optics[J ] . Jour2nal of Engineering Mechanics , 2001 ,127 (5) :494 - 502.

[4] Swee C T , Jianzhong Hao , Yu2zhi Lam. A pressureSensor Using Fiber Bragg Grating [J] . Fiber and Inte2grated Optics , 2001 ,20 (1) :59 - 69.

[5] 李豐麗,鐘金鋼,張永林. 雙FBG位移測(cè)量系統(tǒng)[J ] . 傳感器技術(shù),2003 , (10) :60 - 64.

[6] 孫　曼, 植　涌, 劉浩吾. 組合結(jié)構(gòu)界面滑移變形全過程的光纖光柵傳感檢測(cè)[J ] . 四川大學(xué)學(xué)報(bào),2005 , 37(6) :42 - 45.