光纖光柵緩粘結智能鋼絞線的研制及應用

蘭春光，王天昊，劉 航，歐進萍

光纖光柵緩粘結智能鋼絞線的研制及應用

蘭春光1，2，王天昊3，劉 航2，歐進萍4

（1.北京交通大學土木建筑工程學院，100081北京；2.北京市建筑工程研究院有限責任公司，100039北京；3.北京理工大學自動化學院，100081北京；4.哈爾濱工業大學土木工程學院，150090哈爾濱）

針對緩粘結鋼絞線應力監測用傳感器和布設工藝的缺陷，本文基于光纖光柵傳感技術特性，綜合考慮緩粘結預應力鋼絞線的結構，設計制作了一種可實現預應力狀態自監測的光纖光柵緩粘結智能鋼絞線.并將其應用于某禮堂改造工程緩粘結預應力混凝土單向樓板內，驗證了新型光纖光柵緩粘結智能鋼絞線的有效性和可靠性.結果表明：該緩粘結智能鋼絞線結構簡單、機理明確；與普通鋼絞線相比其力學性能有所下降，極限抗拉強度約為普通鋼絞線的88%；其主要傳感性能指標，如遲滯、重復性、線性度、總精度等均小于3%.通過實際工程驗證了該新型智能鋼絞線施工工藝簡單易行，魯棒性能夠滿足實際工程預應力損失長期監測.

光纖光柵；緩粘結鋼絞線；預應力損失；監測評估

緩粘結技術沿用無粘結技術的生產工序、設備、施工工藝等，具有無粘結技術施工簡單的特點，同時由于采用緩凝膠代替無粘結技術中的油脂，隨著時間的推移，緩凝劑將會固化，從而將預應力鋼絞線、聚乙烯外套、波紋管、混凝土結構緊密結合在一起，使其協同變形，達到類似有粘結技術的結構承載模式，與無粘結技術相比更加安全可靠.緩粘結技術綜合了無粘結技術的加工工藝和有粘結技術的承載模式方面的優勢，現階段得到了廣泛研究并在實際預應力工程中得以開展應用［2-3］.

考慮緩粘結預應力技術的承力特點，預應力筋內預應力度為緩粘結預應力技術的關鍵問題，其直接關系到結構的安全和功能實現.然而現階段國內外針對預應力筋實際預應力度的監測手段十分匱乏，對預應力筋的實際預應力度仍然主要依靠施工經驗和實驗室試驗數據統計進行預估，很難保證其與實際結構較好吻合［4-9］.如果過高估計預應力損失，將導致預應力筋的應力沒有得到較好應用，相反地，如果過低估計了預應力損失將為結構安全埋下隱患.因此，研制滿足緩粘結預應力監測的具有良好線性度和重復性、較高精度和靈敏度、抗疲勞、耐腐蝕等特性的傳感器是亟待解決的問題［10-11］.

本文基于光纖光柵傳感技術特性［12］，針對緩粘結預應力鋼絞線結構特點，設計制作了滿足緩粘結鋼絞線的預應力全壽命監測需要的光纖光柵緩粘結智能鋼絞線，并將其應用于實際工程中驗證了此新型緩粘結智能鋼絞線的有效性和可靠性.

1 緩粘結智能鋼絞線的研制

1.1 基本結構與原理

考慮緩粘結預應力鋼絞線應力長期監測需要，光纖光柵緩粘結智能鋼絞線應具備布設簡便，可沿用現有預應力張拉錨固工具；耐久性強，滿足預應力混凝土結構全壽命監測需要；長期穩定性好，可實現全壽命絕對測量.根據以上需求，本文研制的光纖光柵緩粘結智能鋼絞線主要包括以下幾個部分:1）封裝有光纖光柵傳感元件的增強纖維復合筋，2）提高增強纖維復合筋抗擠壓能力的高延性銅箔片，3）與智能傳感筋構成鋼絞線主體的普通鋼絞線外絲、緩粘結劑、外層PE等（圖1為光纖光柵緩粘結智能鋼絞線示意圖）.

圖1 光纖光柵緩粘結智能鋼絞線結構示意

當光纖光柵緩粘結智能鋼絞線代替普通鋼絞線應用于實際結構中后，借助端部錨具的錨固效應，智能鋼絞線內智能傳感筋將和普通鋼絞線外絲協同變形.考慮智能傳感筋為一根與整體鋼絞線相協調的直筋，那么，智能傳感筋的應變與整體鋼絞線的應變是相等的.通過智能傳感筋內的光纖光柵傳感元件，可獲得智能傳感筋的應變（即鋼絞線應變）.再根據胡克定律，智能鋼絞線中傳感器測試得預應力筋應力值為

式中:EIC、ΔλB、αε分別為緩粘結智能鋼絞線的彈性模量、光纖光柵中心波長變化值、軸向應變與中心波長變化系數．

1.2 制作過程

纖維增強復合傳感筋（FRP）和緩粘結預應力鋼絞線均有其成熟的制備工藝和加工設備，為了減少緩粘結智能鋼絞線制作難度和加工成本，將現有的兩種制備技術無損融合成為此處的研究重點.緩粘結智能鋼絞線的制作步驟主要有:1）根據預應力監測需要確定光纖光柵傳感元件位置，而后將光纖光柵傳感元件在增強纖維復合傳感筋拉制過程中布設于傳感筋中部，制成滿足實際工程監測需要的智能傳感筋；2）采用制備好的智能傳感筋代替鋼絞線中絲，經由對普通鋼絞線的拆分和再組裝制成智能鋼絞線；3）將智能鋼絞線經由緩粘結鋼絞線制備設備拉制成緩粘結智能鋼絞線［13］.緩粘結智能鋼絞線成品見圖2.

圖2 光纖光柵緩粘結智能鋼絞線成品

1.3 性能分析

1）力學性能.緩粘結智能鋼絞線不僅僅作為傳感器使用，為了減少對原結構的擾動和便于施工，力求將智能鋼絞線代替普通緩粘結鋼絞線使用，因此對其力學性能進行研究十分必要.為了考察智能鋼絞線和普通鋼絞線在力學性能方面的差異，做如下實驗.試件選擇為標距700 mm的2根智能鋼絞線和1根普通鋼絞線.為了盡可能還原鋼絞線的實際工作環境，同時為了防止鋼絞線與鉗口滑移，先將試件兩端采用單孔錨具（柳州歐維姆機械股份有限公司的YM15型錨具）錨固后放入試驗機鉗口中進行張拉.試驗加載設備為LYE-600A拉伸試驗機，加載速度為3 mm／min.試驗裝置見圖3.

圖3 力學性能試驗裝置

采用試驗獲得的試驗數據，按照GB／T 5224—2003《預應力混凝土用鋼絞線》計算光纖光柵智能鋼絞線和普通鋼絞線的力學性能指標.由計算結果可知，試件中的智能鋼絞線的極限抗拉強度均超過1 660 MPa，約為普通鋼絞線極限抗拉強度（1 890 MPa）的88%，遠大于普通鋼絞線的張拉控制力（約極限抗拉強度的70%）.從而能說明緩粘結智能鋼絞線代替普通緩粘結鋼絞線作為受力筋使用是可行的.

2）傳感性能.傳感特性仍然是緩粘結智能鋼絞線最主要的工作特性.為了刻畫緩粘結智能鋼絞線的傳感性能指標，做如下實驗.試件為含有一個光纖光柵傳感器的3 m長智能鋼絞線；試驗荷載通過千斤頂和反力架逐級施加，每級為10 kN，試驗荷載最大值為150 kN，加載到荷載最大值后以相同的級步卸載至無力狀態，重復5個循環.光纖光柵波長數據采用Si720解調儀進行采集，試驗力采用安裝于千斤頂和反力架之間的電阻應變式壓力傳感器獲得，試驗裝置見圖4.

圖4 傳感性能試驗裝置

圖5為緩粘結智能鋼絞線標定試驗結果圖.智能鋼絞線測試最大應變可達8.4×10-3以上，已超過鋼絞線的一般工作應變.張拉力從無力狀態達到最大控制力的整個過程中，測試得荷載-應變曲線具有良好的線性度和重復性，從而說明智能復合傳感筋與外層鋼絲是協同變形的.采用標定數據，根據GB／T 18459—2001《傳感器主要靜態性能指標計算方法》計算得該智能鋼絞線的遲滯、重復性、線性度、總精度等均小于3%，完全可以滿足實際緩粘結鋼絞線預應力狀態監測需要.

圖5 智能鋼絞線荷載-應變曲線

2 工程應用

2.1 工程概況

本工程為甲類劇場建筑，地上三層，地下三層，總建筑面積55 623 m2.本工程采用現澆鋼筋混凝土框架結構體系，樓層采用現澆鋼筋混凝土梁、板結構.為了滿足結構承載力、變形和抗裂要求，部分大跨度頂板和舞臺部分大跨度梁采用緩粘結預應力技術.緩粘結預應力筋采用F15.2高強1860級國家標準低松弛預應力鋼絞線，其標準強度fptk=1 860 N／mm2，預應力筋張拉控制應力σcon=1 302 N／mm2（施工時超張拉3%）.工程中緩粘結鋼絞線為單端張拉體系，固定端為擠壓式錨具，張拉端為夾片式錨具.

2.2 監測方案的設計與實施

本工程中緩粘結預應力鋼絞線為重要構件，對于結構構件安全起著重要作用；同時預應力損失是預應力混凝土結構無法避免的，也是重要的影響因素，因此準確及時掌握預應力混凝土空心樓板的預應力損失值及其變化特征至關重要.考慮工程實際特點和預應力損失監測需要，在工程地下一層頂板的21根緩粘結鋼絞線中選擇2根布設智能鋼絞線，以及三層頂板的10根緩粘結鋼絞線中選擇5根布設智能鋼絞線.其具體施工過程主要包括緩粘結智能鋼絞線的安裝、張拉和保護.

2.2.1 緩粘結智能鋼絞線的安裝

待空心樓板底面模板施工完畢，并經檢查驗收合格后進行力筋的綁扎和定位.其中緩粘結智能鋼絞線安裝的施工步驟分為普通鋼筋和普通鋼絞線綁扎，緩粘結智能鋼絞線入模和定位，以及引線保護三個步驟，各步驟注意事項如下:

1）普通鋼筋和鋼絞線的綁扎.按設計圖紙進行普通鋼筋和鋼絞線的綁扎，綁扎結束后對普通鋼筋和鋼絞線的直徑、間距、束形和失高等進行認真檢查，發現問題立即改正，并及時進行隱蔽工程驗收；

2）緩粘結智能鋼絞線入模和定位.待板內普通鋼筋和普通緩粘結預應力鋼絞線綁扎成型后，按設計位置將緩粘結智能鋼絞線入模；過程中，應避免已綁扎完鋼筋和預應力束上突出物劃傷刮破緩粘結智能鋼絞線，并小心保護智能鋼絞線的引線，防止其因刮碰而至損壞；

3）智能鋼絞線引線的保護.智能鋼絞線的引線和跳線頭是之后測試的必須條件，為了防止其在后續的混凝土澆筑和其他施工過程中損壞，應采取必要措施對其進行保護；并在明顯位置粘貼警示標志.預應力空心樓板的鋼筋綁扎固定和引線保護結束，并經隱蔽工程驗收后即可澆筑混凝土.緩粘結智能鋼絞線的安裝流程見圖6.

圖6 緩粘結智能鋼絞線的安裝流程

2.2.2 緩粘結智能鋼絞線的張拉

本工程空心樓板內緩粘結鋼絞線為單端張拉，固定端錨具選用JN15-1型擠壓錨，張拉端錨具選用OM15-1型單孔夾片錨，張拉設備為北京市建筑工程研究院生產的YCJ26型前置內卡式穿心千斤頂.待混凝土強度達到設計強度的80%時.按設計張拉順序要求對緩粘結鋼絞線張拉錨固；張拉順序為0→20 kN（10%張拉力）→120 kN（70%張拉力）→放張→重新施力至180 kN（設計張拉力）→錨固；在張拉過程的每個荷載級別和受力階段記錄智能鋼絞線內光纖光柵中心波長值、油壓表值和油缸拉伸量；錨固完成后撤除千斤頂，初步檢查智能鋼絞線監測結果和鋼絞線滑絲量是否在允許范圍以內，如超出則需補張拉.為了抵抗施工階段和服役階段各因素引起的智能鋼絞線引線的損壞，而致使監測系統無法正常工作，應對智能鋼絞線的引出線部分進行必要保護.張拉施工照片見圖7.

圖8 張拉過程中智能鋼絞線應力變化曲線

圖7 緩粘結智能鋼絞線張拉施工

2.3 預應力損失監測階段性成果

2.3.1 施工階段

利用智能鋼絞線對預應力混凝土空心樓板張拉過程中預應力鋼筋應力變化規律和張拉結束后的瞬時預應力損失進行監測.圖8為預應力空心樓板張拉過程中鋼絞線的應力演化規律.

智能鋼絞線的張拉過程中，除了常規鋼絞線的張拉和錨固設備外，并未增加額外設備，且張拉工藝流程與常規施工方法相同，簡單易行.圖8中FBG1、FBG2、FBG3、FBG4表示智能鋼絞線內光纖光柵傳感器，位置沿著梁長均勻分布，其排序依次為從固定端至張拉端.可以看到，位于張拉端的光纖光柵傳感器測試得預應力鋼絞線應力值隨著張拉荷載的增大線性增加，線性相關性系數為99.95%.從張拉端至固定端均勻分布的4個光纖光柵傳感器達到張拉控制力時的測試應力值以從大到小的順序排列，究其原因是本工程受到天氣和人為因素影響，工期被推遲，早早制作完成的緩粘結鋼絞線內緩粘結凝膠已經開始失去流動性，從而增大了鋼絞線的摩擦效應.

表2為根據智能鋼絞線內光纖光柵的測試結果，計算得空心樓板張拉階段緩粘結智能鋼絞線預應力瞬時損失值.考慮摩擦引起的預應力損失機理和特點可知，摩擦引起的預應力損失張拉端為零，從張拉端開始隨著預應力筋長度和曲線線性的變化逐漸增大，表中光纖光柵傳感器測試得各位置摩擦引起的預應力損失（σl1）測試值符合這一變化規律；相應地考慮錨具變形引起的預應力損失機理和特性，這部分預應力損失受到反摩阻的影響，在張拉端最大（因張拉端反摩阻為零），而后沿著筋長逐漸減少，表中光纖光柵傳感器測試得各位置錨具變形引起的預應力損失（σl2）測試值符合這一變化規律，并且可以看到距離張拉端最遠的光纖光柵傳感器的測試結果為0 MPa，說明此空心樓板的預應力筋錨固回縮影響范圍小于梁長.鋼絞線最大的瞬時損失發生在錨固端位置，其值為167 MPa.

表2 預應力瞬時損失計算過程與結果

2.3.2 無外力作用階段

預應力鋼筋張拉錨固后，雖然預應力空心樓板并未承力，但是伴隨著混凝土的收縮徐變和預應力筋的松弛，預應力長期損失已開始發展，采用智能鋼絞線中光纖光柵傳感器數據分析預應力空心樓板無外力作用階段預應力損失演化規律，見圖9.預應力空心樓板緩粘結預應力鋼絞線的長期損失隨著時間的增加而逐漸增大，且前期（約2 d左右）的變化率較大，2 d后逐漸趨于平緩.10 d后的最終預應力損失值為23 MPa.

圖9 預應力長期損失演化規律

3 結 語

本文基于光纖光柵傳感技術特性，綜合考慮緩粘結預應力鋼絞線的結構，設計制作了一種可實現預應力狀態自監測的光纖光柵緩粘結智能鋼絞線.并將其應用于某禮堂改造工程緩粘結預應力混凝土單向樓板內，驗證了新型光纖光柵緩粘結智能鋼絞線的有效性和可靠性.結果表明:該緩粘結智能鋼絞線融合機理明確、技術可行，結構簡單、施工方便；與普通鋼絞線相比其力學性能有所下降，極限抗拉強度約為普通鋼絞線的88%；其主要傳感性能指標，如遲滯、重復性、線性度、總精度等均小于3%.通過實際工程驗證了該新型智能鋼絞線施工工藝簡單易行，魯棒性能夠滿足實際工程預應力損失長期監測.

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（編輯 趙麗瑩）

Development and application of FBG retard-bonded smart steel strands

LAN Chunguang1，2，WANG Tianhao3，LIU Hang2，OU Jinping4
（1.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，100081 Beijing，China；2.Beijing Building Constucture Research Institute，100039 Beijing，China；3.School of Automation，Beijing Institute of Technology，100081 Beijing，China；4.School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China）

In this paper，in order to solve the defects of sensors and distributed process for monitoring the stress of retard-bonded steel strand，according to characteristics of retard-bonded prestressed concrete and optical fiber sensing，novel self-monitoring retard-bonded smart steel strand was designed and manufactured. Then the FBG retard-bonded smart steel strand were applied to a retard-bonded prestressed one-way slab in a Hall，and the availability and reliability of the novel smart steel strands was verified.The results show that the retard-bonded smart steel strands have simple structure and definite mechanism.The mechanical properties of the smart steel strand are lower than ones of ordinary steel strand，and the smart strand has the ultimate tensile strength of about 88%of common strand，and the sensing properties（hysteresis，repeatability，linearity，and total accuracy）are less than 3%.It has been verified that the novel smart steel strand have the advantages of simple and easy construction process by the application in the practical project.And the robustness of the novel smart strand can meet the long-term monitoring for prestress losses in the practical engineering.

optical fiber bragg grating；retard-bonded steel strand；loss of prestress；monitoring and evaluation

TU378

A

0367-6234（2014）06-0100-05

2013-10-25.

國家博士后科學基金資助項目（2014M550020）；北京市博士后基金資助項目（2013zz-95）.

蘭春光（1979—），男，博士后；歐進萍（1959—），男，博士生導師，中國工程院院士.

蘭春光，lcg98011210＠163.com.