FBG 傳感器在鋼筋混凝土梁中的應用

廉 旭 關思聰

鋼筋混凝土結構已經成為現代土木工程中不可替代的結構類型，混凝土出現裂縫十分普遍，除了荷載作用造成的裂縫外，更多的是混凝土收縮和溫度變化所致。混凝土固化期不均勻收縮應變是其結構產生裂紋的主要原因之一[1，2]。然而如何獲得混凝土內部應變信息以及內部應變狀態分布對宏觀性能的影響，是長期困擾研究者的一大難題。

FBG傳感器與傳統的傳感器相比具有測量精度高、動態范圍大、頻帶寬并可實現絕對測量以及抗電磁干擾、耐腐蝕的特點，而且光纖體積小、柔軟可彎曲，能以任意形式復合于基體結構中而不影響基體的性能[3-5]。所以，把光纖傳感器埋入混凝土結構中，用于各種參量的測量是比較理想的方法。

傳統的方法監測混凝土梁應力狀態比較成熟，應用也比較多，但也有局限性，例如無法消除溫度影響。本文利用FBG應變傳感器監測了鋼筋混凝土梁固化和受彎過程中鋼筋表面的收縮應變，并利用獨立的FBG溫度傳感器對溫度進行了實時監測，有效消除了溫度變化對FBG應變傳感器的影響，實現了對溫度和應變的同時測量，并將結果與常規應變片監測結果進行對比分析。

1 FBG傳感原理

FBG是光纖纖芯折射率沿光纖軸向呈周期性變化的一種光柵。目前已有的各類基于FBG傳感技術的傳感器工作原理均可歸結為對FBG中心波長λB的測量，即通過對由外界擾動引起的λB漂移量的測量，得到被測參數。

如圖1所示，FBG傳感器分布在光纖纖芯的一小段范圍內，它的折射率沿光纖軸線發生周期性變化，圖1中纖芯的明暗變化代表了折射率的周期變化。

圖1 FBG傳感器工作原理示意圖

當光纖的入射光波的波長λ滿足FBG衍射條件時:

其中，λB為FBG波長;neff為有效纖芯的折射率;Λ為FBG傳感器光柵的柵距。

該波長的光波將沿來路發生反射，該反射光就是FBG反射光。當使用一個寬帶光源從FBG一端入射，則波長滿足式(1)的光波就會發生FBG反射，而其余波長的光波仍然照常傳播。圖1為FBG的工作原理圖，在圖1中可以看到，寬帶光源的輸入光譜在通過FBG傳感器1后，形成了波谷峰值為λB1的凹陷，而反射光譜則具有波峰λB1。

當光柵所在處的光纖產生軸向應變ε時，柵距Λ變為Λ':

此時FBG波長產生λB相應的變化Δλ，它滿足:

其中，Pε為有效光彈系數，它的值約為0.22。

溫度變化會引起光纖折射率的變化，同時也會引起柵距的變化，當溫度變化為ΔT時，將引起FBG波長λB產生移動Δλ，可以表示為:

其中，α為光纖的熱膨脹系數;ζ為光纖的熱光系數。

由式(3)，式(4)得到同時考慮應變Δε與溫度變化ΔT時，所引起的波長移動Δλ:

應變量Δε，ΔT可以與很多物理量聯系在一起，如溫度、濕度、位移、壓力、電磁力、流量、振動和轉動等，因此式(5)是FBG傳感技術的基本理論基礎。

2 FBG傳感器類型及工作特性

本實驗采用兩種FBG傳感器，分別為貼在鋼筋上的裸光柵傳感器和自制管式封裝FBG溫度傳感器。鋼筋上的裸光柵傳感器同時受溫度和應變影響，而管式封裝FBG溫度傳感器僅受溫度影響[2]。自制管式封裝FBG溫度傳感器如圖2所示。

圖2 管式封裝FBG溫度傳感器

對于埋入混凝土中的FBG傳感器靈敏度分別用水浴法和鋼筋拉伸實驗測定，求得FBG溫度傳感器和鋼筋傳感器靈敏度系數。溫度曲線和應變曲線見圖3，圖4。圖3，圖4中R為擬合曲線與原始數據相關系數，從圖中可以看出，溫度傳感器與鋼筋傳感器波長變化與溫度和應變呈線性關系，相關性達99.9%以上。可得靈敏度系數分別為 0.00997 nm/℃，1.088 με/pm。

圖3 中心波長為1529 nm的溫度傳感器變化曲線

圖4 裸光柵鋼筋傳感器波長與應變關系曲線

3 混凝土梁固化和受彎監測實驗數據分析

3.1 混凝土固化實驗

本實驗在室外進行監測，監測時間為混凝土澆筑后0 h～24 h，因為難以避免外界溫度對監測結果的影響，所以同時需要對外界溫度和混凝土內部溫度進行監測。在24 h內，每小時采集一次數據。

圖5 混凝土固化時傳感器時間與波長關系曲線

圖5中曲線為混凝土固化時傳感器時間與波長關系曲線。其中1，3，4號曲線為實際測得的曲線，分別為總的波長變化曲線和混凝土內外溫度補償;通過計算可以得到2，5號曲線，5號曲線為消除外界溫度影響，在水化熱影響下傳感器波長變化;2號曲線為消除水化熱和外界氣溫影響傳感器受到應力變化產生的波長變化曲線。由圖5中4號曲線可以看出，一天中晝夜溫差較大，溫度的變化是波長變化的主要因素。5號曲線表明，混凝土內部水化熱的溫度是逐漸上升的，澆筑后15 h后達到最高，溫度變化造成最大20 pm左右的波長變化差，因此傳感器周圍環境溫度變化對應變監測的影響很大，必須對FBG傳感器進行溫度補償。因為當波長減小時，鋼筋處在收縮應力狀態，所以從5號曲線可以看出，混凝土在固化過程，鋼筋應力始終是收縮應力。

監測是從下午2點開始，幾乎是一天的最高溫度，因為水化的溫度影響小于外界溫度產生的影響，所以隨著氣溫的下降，傳感器監測的總的波長也開始下降，在清晨6點達到最低點，之后隨著氣溫的升高，波長也隨之升高。

圖6 實驗裝置圖

3.2 混凝土受彎實驗

利用三分點加載方法對試驗梁進行以2 kN為步長的分級加載直至試驗梁破壞，實驗加載如圖6所示，Y1～Y5為手持應變儀測試點。因為在兩個加載點之間彎矩相等，該區域內受拉鋼筋應變近似相等。Y5所對應的位置與鋼筋位置水平，把手持應變儀Y5測試數據與FBG和應變片進行比較分析，實驗數據曲線見圖7。

圖7 混凝土梁受彎梁荷載應變曲線

從圖7中可以看出，混凝土梁前期彈性變形階段應力線性增加，當達到第2級荷載時混凝土開裂，鋼筋應力變化加快，圖7中各曲線很好的反映了這一狀況。當達到7級荷載時混凝土臨近破壞，達到8級荷載時，混凝土梁完全破壞，鋼筋應變片和手持應變儀讀數發生跳躍增加，而FBG讀數在這期間表現了一定的滯后性。手持應變儀Y5總體應變與理論值趨勢吻合，保持一個良好線性增長，當混凝土達到破壞，應變急速增加。鋼筋電子應變片在加載各個時期保持一個良好線性曲線，但1，2號點測得的數值差異比較大，可能在安裝固定時候造成的。兩組FBG傳感器的讀數變化趨勢一致，讀數相近，兩曲線保持了很好的相似性，可以看出用FBG傳感器進行監測相比傳統監測方法穩定性更好，但后期混凝土臨近破壞時，可能由于FBG和應變片的相對位置不同，裂縫集中產生的區域，鋼筋應力增加較快，導致FBG的讀數產生了滯后性，這不影響FBG讀數的準確性。

由于前期加載時候，混凝土沒有開裂，處于彈性階段，應力都是由混凝土承擔。鋼筋的應力應變等于該截面混凝土的應力應變。

混凝土達到極限破壞時，受拉區拉力全由鋼筋承擔，Ⅱ級熱軋鋼筋fy=210 N/mm，鋼筋微應變達到1000時屈服。

表1 鋼筋理論值與FBG測量值對比

從表1中可以看出在彈性階段，FBG測得的值雖比理論值略小，但處在合理范圍。在7級荷載時混凝土臨近破壞，鋼筋達到1000 με時屈服，FBG監測值都接近理論波長變化值1200 pm，而其他監測方法差別較大。說明鋼筋FBG監測比傳統監測方法更為準確，而且穩定性更高。

圖7中各條曲線，在混凝土梁發生破壞前，除了1號點的鋼筋應變片讀數，其他測得的數據應變曲線趨勢良好，與理論應變曲線相對吻合。當混凝土達到破壞，有明顯的應力突變的過程。

4 結語

本文介紹了一種用于混凝土內部鋼筋應變監測的FBG傳感器，分析了光柵傳感器原理，進行了混凝土固化和受彎實驗監測。通過實驗，可以得到以下結論:

1)自制的溫度傳感器與鋼筋傳感器波長變化與溫度和應變呈線性關系，相關性達99.9%以上。靈敏度系數分別為0.00997 nm/℃，1.088 με/pm。

2)FBG傳感器對溫度感應很靈敏，在監測混凝土固化時，由于受到外界氣溫和水化熱溫度影響，需要對FBG傳感器進行混凝土內外溫度補償。

3)鋼筋應力監測時，將FBG鋼筋應力傳感器埋入到鋼筋混凝土梁中，監測受拉區鋼筋應變。通過溫度與應變的同時測量，可以得到受水化熱影響鋼筋應力曲線和消除溫度影響的鋼筋應力變化曲線，可知混凝土在固化過程中，鋼筋應力始終是收縮應力。

4)FBG傳感器和常規方法相比，監測曲線和理論值曲線趨勢變化一致，FBG讀數相近。用FBG傳感器監測穩定性更佳，更容易接近真實值。可以應用到混凝土梁中，作為混凝土結構進行長期監測的一種可靠技術。

[1]李志剛，唐小平，孫蘆中.基于光纖光柵傳感器的混凝土梁應變檢測[J].解放軍理工大學學報，2005，6(6):8-9.

[2]孫 麗，李宏男，任 亮.光纖光柵傳感器監測混凝土固化收縮實驗研究[J].建筑材料學報，2006，9(2):3-5.

[3]趙雪峰，田石柱.基于封裝光纖Bragg光柵傳感器的混凝土應變監測試驗研究[J].光學技術，2003，29(4):11-15.

[4]于秀娟.FBG用于鋼筋混凝土結構健康監測的若干關鍵問題研究[D].哈爾濱:黑龍江大學，2006.

[5]李 川，張以謨.光纖光柵:原理與傳感應用[M].北京:科學出版社，2005.