光纖光柵傳感器用于鋼筋混凝土結構健康監測的實驗研究

董云峰，王玉玲，吳春梅

(大慶師范學院 物理與電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163712)

1 問題陳述

鋼筋混凝土結構是土木工程的主要結構形式之一，但由于大型鋼筋混凝土結構的使用期限都長達幾十年，甚至上百年，在其服役過程中，由于環境載荷作用、疲勞效應以及腐蝕和材料老化等不利因素的影響，結構將不可避免的產生損傷積累和抗力衰減，嚴重時將導致災難性事故的發生，因此對鋼筋混凝土結構健康狀況進行監測就顯得尤為重要。目前,對大型工程結構的變形情況監測普遍采用電阻應變片或鋼筋應力計。但由于其易受環境,尤其是電磁場、溫度、濕度、化學腐蝕和壽命短等條件的影響，而且不能進行分布式測量，其應用范圍收到很大程度的限制。

光纖光柵與傳統的電類傳感器相比,除了具有靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、 防水、不受光源功率波動的影響等優點外，而且集傳感與傳輸于一體、易于埋入材料內部或附著在結構的表面進行應變、溫度或其他物理量的測量而不改變結構的整體性；同時也可以通過復用技術集合成分布式傳感網絡，來測量大型空間中的應力或溫度場的實時分布特征。光纖光柵傳感技術滿足了現代土建結構監測的高精度、遠距離、分布式和長期性的技術要求，而被認為是在土木工程結構健康監測中最有前途的傳感形式[1-3]。

2 FBG傳感原理[2-5]

光纖光柵Bragg波長λB隨溫度和應變的漂移為

△λB=KT△T+Kεε

(1)

式中λB為光纖光柵的中心波長，KT=(α+ζ)λB、Kε=(1-Pe)λB分別為溫度、應變靈敏度系數，α和ζ分別為光纖的熱膨脹系數和熱光系數，Pe為有效彈光系數，ε為軸向應變。因此，通過監測Bragg波長的漂移即可測出外界應力和溫度的變化[4-5]。

由于光纖光柵對溫度和應變是交叉敏感的，所以當用光纖光柵進行應變測量的時候，必須進行溫度補償，剔除溫度變化帶來的影響。設參考光柵和傳感光柵的波長分別為λB1、λB2，溫度靈敏度系數為KT1、KT2，傳感光柵的應變靈敏度系數為Kε，則有

△λB1=KT1△T

(2)

△λB2=KT2△T+Kεε

(3)

把(2)式帶入(3)式，得到由應變引起的波長漂移為

(4)

本實驗中，利用光纖溫度傳感器監測溫度變化進行溫度補償。

3 實驗過程及結果

3.1 實驗裝置及方案描述

本實驗主要測試鋼筋混凝土圓柱樁的抗彎情況?？箯澰嚰某叽鐬?000×327×327的圓柱樁，試件主筋為17根Ф10鋼筋，箍筋的直徑為Ф4。實驗中我們利用嵌入式光纖應變傳感器測量鋼筋混凝土的應變，利用光柵溫度傳感器監測溫度的變化；同時我們在試件的相同截面安裝鋼筋應力計來監測鋼筋混凝土的受力及應變情況。實驗中利用千斤頂對鋼筋混凝土圓柱樁試件進行分級加載，采用三通道FBG解調儀來監測FBG傳感器波長的變化情況，同時利用與計算機相連的處理軟件來監測鋼筋應力計測量的結果。

3.2 傳感器的布設與安裝

FBG傳感器和鋼筋應力計布設如圖1和2所示，在鋼筋混凝土圓柱體試件中的截面上1號和9號鋼筋上各布置1個FBG應變傳感器，同時在1號鋼筋上布置一個FBG溫度傳感器監測溫度變化。主筋上間隔放置鋼筋應力計，即圖1所示的橫截面圖上用藍色實心圓點表示的共計8根鋼筋在三個等截面上放置鋼筋應力計。

圖1 鋼筋混凝土圓柱樁橫截面圖

圖2 傳感器布置圖

3.3 實驗加載方案

本實驗采用三分點加載法，如圖3中荷載P通過分配轉化成2個0.5P大小相等的力，分別作用在試件2個1/3點處。實驗中采用手動分級加載，步長為1t，一直加載到20t時鋼筋混凝土圓柱樁破壞為止。

圖3 抗彎實驗加載示意圖

3.4 實驗結果及分析

實驗中采用手動加載，加載步長為1t，每次加載結束后穩定5分鐘后進行數據采集，FBG解調系統記錄波長變化情況，與計算機相連的監測軟件記錄鋼筋應力計測量的數據。實驗中加載到20t時，混凝土圓柱體已經明顯變彎，當繼續加載時，出現荷載加載不上去的現象，此時我們停止加載。實驗結束時的混凝土試件如圖4所示，試件中部已經變彎，此時混凝土表面出現很多裂紋，如圖5所示。

圖4 鋼筋混凝土圓柱體試件圖 圖5 混凝土表面裂紋

經處理后的實驗數據如圖6所示。圖中橫軸表示荷載，縱軸表示鋼筋混凝土試件所受的應力。編號1～8為橫截面內1布置的鋼筋應力計，編號9～16為橫截面2布置的鋼筋應力計，編號17～24為橫截面3內的鋼筋應力計，兩個FBG分別布置在橫截面2內，9號和10號及13號和14號鋼筋應力計之間的鋼筋上。從圖中6可以看到，FBG傳感器測量的結果與鋼筋應力計測量的數據具有相同的趨勢和量級，可以正確反映鋼筋混凝土圓柱體內部受力變形情況，是混凝土結構內部健康監測的理想元件。

圖6 抗彎實驗載荷-應力圖

4 結語

本文通過對光纖光柵傳感器用于鋼筋混凝土圓柱樁結構健康監測的實驗研究，發現FBG傳感器測量的結果與鋼筋應力計測量的數據具有相同的趨勢和量級，可以正確反映鋼筋混凝土圓柱體內部受力變形情況，滿足結構健康監測的需要。

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