光纖光柵傳感器在施工中的應(yīng)用

林存旭　張純金　藤召武

摘 要：文章介紹了光纖光柵傳感器，簡(jiǎn)述了光纖光柵傳感器在施工中的應(yīng)用-光纖預(yù)應(yīng)力筋以及光纖預(yù)應(yīng)力筋在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光纖光柵傳感器；光纖預(yù)應(yīng)力筋；預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)；安全監(jiān)測(cè)

光纖光柵傳感技術(shù)在近幾年發(fā)展速度的飛快。大量研究表明：光纖光柵傳感技術(shù)是一種非常先進(jìn)，并且十分有效的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的工具和方法。光纖傳感技術(shù)解決了許多過(guò)去傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的缺點(diǎn)和不足，并具有很好的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。由于我國(guó)領(lǐng)土經(jīng)緯度跨越本來(lái)就很大，而且擁有各種各樣的地形還有氣候環(huán)境。在使用的過(guò)程中，環(huán)境對(duì)建筑本身會(huì)有相應(yīng)的腐蝕，荷載也會(huì)使其產(chǎn)生疲勞，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)建筑的材料也會(huì)發(fā)生老化，這些建筑結(jié)構(gòu)的損傷無(wú)法消除，并且會(huì)降低結(jié)構(gòu)的可靠度，甚至于已經(jīng)無(wú)法繼續(xù)使用。在工程已經(jīng)無(wú)法繼續(xù)使用，處于危險(xiǎn)狀態(tài)，如果此時(shí)還無(wú)法對(duì)建筑本身做出準(zhǔn)確的評(píng)估，繼續(xù)使用，那么極有可能產(chǎn)生各種突發(fā)事故。這不僅有可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)上面的損失，而且也有可能造成人員的大規(guī)模的傷亡。

1 光纖光柵傳感器

光纖光柵傳感技術(shù)在近幾年發(fā)展速度的飛快。大量研究表明：光纖光柵傳感技術(shù)是一種非常先進(jìn)，并且十分有效的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的工具和方法。光纖傳感技術(shù)解決了許多過(guò)去傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的缺點(diǎn)和不足，并具有很好的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

針對(duì)工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，一個(gè)非常重要的參數(shù)是應(yīng)力?，F(xiàn)在而言，大多數(shù)的應(yīng)力傳感器是利用電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量，但有很多的工程實(shí)例向我們表明：一些例如在濕度的環(huán)境因素等，對(duì)測(cè)量的精度和穩(wěn)定性影響很大，使健康監(jiān)測(cè)不能對(duì)許多重要工程結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)的有效準(zhǔn)確的檢測(cè)。

光纖光柵傳感器是應(yīng)用于土木建筑中一種新的傳感技術(shù)；在土木工程中使用光學(xué)方面的技術(shù)。運(yùn)用基于光纖光柵傳感測(cè)試技術(shù)的預(yù)應(yīng)力筋來(lái)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)測(cè)量當(dāng)前大型工程的結(jié)構(gòu)損傷的這種測(cè)量方法，在現(xiàn)在有著良好的發(fā)展趨勢(shì)。預(yù)應(yīng)力筋與光纖光柵傳感器相結(jié)合，將會(huì)有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期健康有效的檢測(cè)。

光纖光柵傳感技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域擁有巨大的潛力，光纖傳感技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)新的階段。光纖傳感技術(shù)具有傳統(tǒng)傳感器不具有的許多優(yōu)點(diǎn)，并且這些優(yōu)點(diǎn)在土木工程監(jiān)控監(jiān)測(cè)方面有著極其方便的作用，并且這些優(yōu)點(diǎn)在實(shí)際工程中運(yùn)用也證明了光纖傳感器的實(shí)用性。

2 光纖光柵傳感器在施工中的應(yīng)用-光纖預(yù)應(yīng)力筋

預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的要求通常是通過(guò)控制張力來(lái)保證。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力混凝土的收縮徐變，在使用過(guò)程中，熱應(yīng)變、預(yù)應(yīng)力、鋼的腐蝕、錨具變形和許多其他因素，將導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失，預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)應(yīng)力下降，這會(huì)使得開(kāi)裂載荷的降低。對(duì)于任何建筑來(lái)講，開(kāi)裂載荷的降低都會(huì)給建筑結(jié)構(gòu)帶來(lái)災(zāi)難性的變化。預(yù)應(yīng)力對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的重要性不言而喻，所以得知預(yù)應(yīng)力的損失和預(yù)應(yīng)力實(shí)際的大小對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的安全性是十分重要的。通過(guò)計(jì)算出預(yù)應(yīng)力損失來(lái)是無(wú)法精確計(jì)算出預(yù)應(yīng)力實(shí)際的大小。引起預(yù)應(yīng)力損失的因素有很多，錨具變形、鋼筋內(nèi)縮、摩擦等因素引起的損失可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出，然而有一部分的損失是無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算的，徐變、松弛等隨時(shí)間變化的因素。將所有因素相加計(jì)算得出的損失結(jié)果往往誤差十分大，與實(shí)際損失相比相差很多。規(guī)范《GB-T5224-2014》中，結(jié)構(gòu)鋼絞線(xiàn)力學(xué)性能中，應(yīng)力松弛性能，對(duì)于初始負(fù)荷相當(dāng)于公稱(chēng)最大力的70%，則松弛率不應(yīng)大于2.5%。光纖預(yù)應(yīng)力筋是由普通的鋼絞線(xiàn)改制而成。用FRP傳感筋替代鋼絞線(xiàn)中間的鋼絲制成的。FRP傳感筋是將光纖光柵傳感器埋設(shè)在FRP筋中，光纖光柵傳感器本身及其脆弱很容易就被破壞，F(xiàn)RP筋是由高性能的纖維和基材聚合而成，具有和鋼絲一樣的抗拉強(qiáng)度且耐腐蝕。將光纖光柵傳感器埋設(shè)在FRP筋中，形成FRP傳感筋，F(xiàn)RP傳感筋在與普通鋼絲制成鋼絞線(xiàn)，形成預(yù)應(yīng)力光纖傳感筋。預(yù)應(yīng)力光纖傳感筋，不僅能夠利用光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，同時(shí)還沒(méi)有影響破壞預(yù)應(yīng)力筋本身的作用。

大量的實(shí)驗(yàn)中表明包裹銅箔紙以及使用環(huán)氧樹(shù)脂粘接過(guò)的光纖光柵鋼絞線(xiàn)是可以的替代普通鋼絞線(xiàn)的，并且松弛率明顯小于2.5%。在光纖光柵鋼絞線(xiàn)制作成功的情況下，可以替代普通鋼絞線(xiàn)，作為預(yù)應(yīng)力筋使用，并且光纖光柵智能鋼絞線(xiàn)可準(zhǔn)確的測(cè)出預(yù)應(yīng)力混凝土梁在外荷載作用下的預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力變化。

光纖光柵鋼絞線(xiàn)的制備需要一根普通的鋼絞線(xiàn)，去除其中絲，再將去除中絲的鋼絞線(xiàn)與FRP-OFBG筋重新捻制。對(duì)捻制過(guò)程做出細(xì)致改變的光纖光柵傳感筋，包裹銅箔紙以及使用環(huán)氧樹(shù)脂粘接，使得光線(xiàn)光柵傳感筋外圍鋼絲與纖維筋摩擦增大。

在實(shí)際施工中使用光纖預(yù)應(yīng)力筋，我們可以在任何時(shí)間準(zhǔn)確的測(cè)出預(yù)應(yīng)力混凝土梁在外荷載作用下預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力變化，可以長(zhǎng)期有效的監(jiān)測(cè)該結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，并且判斷出該結(jié)構(gòu)的安全性。

3 光纖光柵傳感器在施工中的不足

光纖光柵傳感器在使用時(shí)需要注意防護(hù)。是因?yàn)槔w芯相較于普通結(jié)構(gòu)材質(zhì)來(lái)說(shuō)更加脆弱，對(duì)于機(jī)械破壞抵抗能力差；如何在種類(lèi)繁多的光纖傳感器選擇與當(dāng)前工程環(huán)境和某些特殊環(huán)境相匹配的受力性能，例如在高溫高壓，強(qiáng)酸強(qiáng)堿的環(huán)境下，光纖傳感器就必須用特殊的防護(hù)材料來(lái)保護(hù)以減少因?yàn)榄h(huán)境帶來(lái)的性質(zhì)差異從而使測(cè)量的不確定性造成的誤差。

光纖光柵傳感器材質(zhì)脆弱，抗機(jī)械破壞能力差，使用中需要特別防護(hù)。埋入FRP筋的光纖光柵傳感器的維修問(wèn)題。以及光纖光柵傳感器的成本較高，如何在不改變其本身的作用的同時(shí)降低成本，這將是光纖光柵傳感器普及應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵。

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