低周期循環荷載下內嵌式光纖光柵自感知鋼絞線的性能

虞愛平 李俊宏 覃荷瑛

（1.桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西桂林 541004；2.廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西桂林 541004）

鋼絞線是斜拉橋或預應力混凝土結構中不可缺少的核心元件［1-2］，具有“牽一發而動全身”的作用。然而鋼絞線在高應變低周期循環荷載作用［3-4］如地震作用下極易產生疲勞破壞。因此，實時監測低周期循環荷載環境下預應力鋼絞線的受力狀態對整個工程結構的安全和管養非常重要。光纖布拉格光柵（Fiber Bragg grating，FBG）傳感器以光為傳感媒介，具有傳感特性穩定、精確度高、重復性強等優點，常用于結構構件的健康監測［5-6］。內嵌式自感知鋼絞線［7-9］是將光纖光柵與鋼絞線耦合而成的特殊鋼絞線，具備良好的力學性能和監測性能。在鋼絞線中心絲上設置凹槽，對中心絲進行預張拉后將光纖光柵封裝在凹槽內，使得光纖光柵的監測量大幅度提升，同時提高了惡劣施工環境下光纖光柵在鋼絞線中的成活率及使用壽命。

發生地震時，鋼絞線的應變范圍遠遠大于1%，當其壽命在100個循環周期以上時，就可以保證構件的安全。因此，在研究內嵌式自感知鋼絞線的抗震性能時，應考慮其在高應變低周期循環荷載作用下的拉伸性能［10-12］。國外的研究、規范對鋼絞線在循壞荷載下的應力控制、應力幅、試驗加載頻率和循環結束后的靜力試驗提出了標準及評價方法［13-15］。在國內，研究人員對鋼絞線循環荷載作用下的拉伸性能進行了探索，肖赟等［16］從預應力鋼絞線的疲勞斷口分析得出其破壞過程是一個不斷累積的擴展過程，并運用損傷剩余面積作為損傷量推導出預應力混凝土剛度退化分析模型。胡新舒［17］發現高強鋼絞線混凝土在循環荷載作用下具有良好的抗疲勞性能。方峰等［18］通過對預應力鋼絞線實際施工安全性進行分析，發現荷載因素對鋼絞線循環拉伸性能有影響的相關問題。姜鵬等［19］通過雨流計數法［20-21］對國家500 m口徑的天文望遠鏡所用鋼絞線的不同應力幅進行次數統計，并通過試驗解釋了鋼絞線循環荷載作用下破壞的主要原因為摩擦腐蝕［22］。

我國對內嵌光纖光柵的新型鋼絞線性能的研究工作尚處于初始探索階段，由于內嵌式自感知鋼絞線是將光纖光柵傳感器封裝于鋼絞線內部，在鋼絞線承受較大應變和循環荷載作用時，保證其監測性能的有效性成為這種新型鋼絞線具有實用性的關鍵。本文將中心絲持荷值、循環周期數、應力幅作為變化參數，對內嵌式自感知鋼絞線進行低周期循環拉伸試驗，研究光纖光柵對鋼絞線受力狀態的跟蹤監測性能，以及試驗結束后自感知鋼絞線的力學性能，為其在實際工程中的應用提供理論依據。

1 內嵌光纖光柵自感知鋼絞線低周期拉伸試驗

鋼絞線在循環荷載作用下，鋼絲單絲之間會發生摩擦作用導致局部產生細微裂紋。當循環荷載持續一段時間后，鋼絞線會造成損傷積累，細微裂紋會不斷擴展直至構件斷裂，這種現象稱為鋼絞線疲勞破壞。對于內嵌式自感知鋼絞線，疲勞破壞不僅影響鋼絞線本身的力學性能，還可能影響其內部的光纖光柵傳感器在低周期循環荷載作用下的有效性。在實際工程中，鋼絞線受到的疲勞應力常低于其屈服應力，當最大循環應力小于屈服應力時屬于循環應力疲勞。低周期循環荷載試驗所施加的荷載為恒幅應力循環荷載，恒幅應力循環是指在應力循環中，最大應力σmax和最小應力σmin恒定。應力幅σa為應力循環中的變化分量，其值為

根據GB/T 5224—2014《預應力混凝土用鋼絞線》［23］的要求，低周期疲勞試驗所用的試件長度應保證兩夾具之間的距離不小于1 600 mm，夾持部分的長度約100 mm。取自感知鋼絞線長度2 400 mm，自感知中心絲凹槽尺寸為0.4 mm（深）×1.0 mm（寬），光纖光柵傳感器的長度取40 mm，黏結層厚度約0.3 mm。試件采用的鋼絞線為1×7標準型鋼絞線，公稱直徑15.2 mm，公稱面積140 mm2，抗拉強度1 860 MPa，屈服荷載225 kN，極限承載力260 kN。制作自感知鋼絞線時，先將鋼絞線用機械打散，取中心絲進行一定荷載的預張拉，在持荷狀態下用環氧樹脂將光纖光柵傳感器粘貼于中心絲凹槽內，待環氧樹脂達到足夠強度后卸載，制成光纖光柵自感知中心絲。將邊絲與中心絲扭絞后對端部進行封裝保護制成內嵌光纖光柵自感知鋼絞線，如圖1所示。

圖1 自感知鋼絞線封裝保護

將中心絲持荷值、循環次數、應力幅作為變化參數。根據前期試驗，中心絲持荷值取0.3Pb與0.4Pb（Pb為中心絲的極限承載力39.5 kN）時，監測量程提高效果最好；循環次數選擇50次和200次作為對比；應力幅上限取0.8fptk，下限分別取0.1 fptk，0.4fptk，fptk為鋼絞線的抗拉強度。設置8組試件，每組試件設置3根自感知鋼絞線，試件加載參數見表1。

試驗在張拉臺座上進行，通過解調儀對光纖光柵傳感器的波長變化進行監控，解調儀波長測量范圍為1 525～1 570 nm，采樣頻率為1 Hz，波長精度為2.5 pm，分辨率為1 pm，試驗裝置如圖2所示。加載方式為恒幅應力循環正弦加載，利用千分表記錄不同應力幅及循環次數下的鋼絞線應變。試件安裝完畢后，從初始狀態開始按每級10 kN進行加載，加載速度不大于100 MPa/min；加載至應力幅上限，持荷2 min后記錄解調儀及千分表讀數；逐級卸載至應力幅下限，卸載速度不大于100 MPa/min，持荷2 min后記錄相應讀數，根據試驗設計進行50次或200次重復加卸載過程。循環加載結束后對內嵌式自感知鋼絞線進行極限張拉力的測試，記錄光纖光柵傳感器能跟隨自感知鋼絞線的最大波長及千分表讀數。

表1 試件加載參數

圖2 試驗裝置

2 試驗數據及結果分析

光纖布拉格光柵的中心波長與光柵折射率有關，當光波傳輸通過FBG時，滿足布拉格光柵波長條件的光波將被反射回來。根據光譜特性可知，光纖光柵的中心波長為

式中：neff為光柵有效折射率；Λ為光柵周期。

當光柵外界環境物理量改變時，光柵周期隨之改變，同時光彈效應會改變光柵有效折射率。當光纖只受軸力作用時，其光柵中心波長變化與應變的關系［24-26］為

式中：?λ為波長的變化值；Kε為光纖光柵應變靈敏度；εg為光纖光柵感知應變。

2.1 自感知鋼絞線低周期試驗應變變化曲線

試件B?03和試件D?03為中心絲持荷值0.3Pb的自感知鋼絞線，在1 302 MPa應力幅狀態下進行循環荷載試驗，試件B?03進行50次循環，試件D?03進行200次循環。試件應變-循環曲線見圖3。

圖3 試件應變-循環曲線

由圖3可知：試件經過50次循環周期后應變隨著循環次數的增加而減小，應變-循環曲線呈下降趨勢；在經過150次循環周期后，應變-循環曲線下降的趨勢減緩；當到達200次循環周期后應變-循環曲線慢慢趨于平穩。

通過對比千分表記錄的鋼絞線實際應變，以及按式（2）和式（3）計算得到的監測應變，檢測在低周期高應力幅疲勞狀態下自感知鋼絞線的重復性能。試件B?04和試件D?04為中心絲持荷值0.4Pb的自感知鋼絞線，在1 302 MPa應力幅狀態下進行循環荷載試驗，試件B?04進行50次循環，試件D?05進行200次循環。試件應變曲線對比見圖4。

圖4 試件應變曲線對比

由圖4可知，監測應變曲線與實測應變曲線都呈現出良好的線性。經過50次循環周期后的監測應變約為6 500×10-6，經過200次循環周期后的監測應變約為6 200×10-6，均與實測值接近，二者平均誤差在3%左右，在誤差最大處監測值與實測值的偏差為4.8%，在合理的誤差范圍內。說明內嵌式封裝技術的黏結材料和封裝工藝對應變傳遞產生的影響較小，黏結光纖光柵傳感器所用的高分子膠粘劑既能有效地保證光纖光柵黏結牢固，又能使光纖光柵與鋼絞線在高應力狀態下發生協同應變，體現了內嵌式自感知鋼絞線的可靠性。

2.2 中心絲持荷值與自感知鋼絞線波長變化關系

對比試件D?03和試件D?04的試驗數據，分析在應力幅為1 302 MPa、循環次數為200次的恒幅應力循環試驗下，中心絲持荷值在低周期作用下對自感知鋼絞線的影響。試件波長變化曲線見圖5。可知，中心絲持荷0.3Pb和0.4Pb的自感知鋼絞線進行低周期循環試驗時，其張拉力上限波長分別變化了0.603，0.713nm，下限張拉力波長分別變化了1.024，1.027 nm。對比發現2種不同的中心絲持荷值在200次低周期高應力幅循環狀態下均有較好的穩定性，中心絲持荷值對自感知鋼絞線波長變化的影響不明顯。

圖5 試件波長變化曲線

2.3 自感知鋼絞線低周期疲勞性能分析

在經過200次循環周期張拉試驗后，分別對鋼絞線進行極限張拉力的測試試驗，加載方案遵循靜拉伸試驗標準，以D?03組和D?04組為例進行數據分析。疲勞性能試驗結果見下一頁的表2。

由表2可知：

1）對于D?03組試件，其極限總波長平均值為14.82 nm，所能跟蹤監測鋼絞線的應變平均值12 354×10-6，所能跟蹤監測的張拉力與鋼絞線極限張拉力之比約為0.95，監測量程顯著提高，且循環后依然能滿足對鋼絞線全生命周期的應力應變監測。

2）對于D?04組試件，其極限總波長平均值為14.79 nm，所能跟蹤監測鋼絞線的應變平均值13 775×10-6，所能跟蹤監測的張拉力與鋼絞線極限張拉力之比約為0.95，且其監測量程相比D?03組試件更好，約提升了12%。

2組試件在循環拉伸試驗后均進行了靜力拉伸試驗，其中D?03組試件極限張拉力平均值為270.7 kN，D?04組試件極限張拉力平均值為272.7 kN，均滿足GB/T 5224—2014中規定的最小張拉應力不低于92%fpm（fpm為鋼絞線實測極限抗拉強度平均值）或95%fptk（取兩者中的較大者）的要求，證明了內嵌式自感知鋼絞線在低周期循環疲勞環境下其力學性能的可靠性。

內嵌式自感知鋼絞線在荷載循環作用后的張拉應力高于公稱鋼絞線張拉力，監測量程也高于鋼絞線的屈服強度，且其重復性好，線性度高，精度高，適用于實時監測預應力或橋梁結構中受力狀態。地震的持續時間一般在1 min以內，頻率在2 Hz左右，如唐山地震持續23 s，日本阪神地震持續20 s，美國EI Centro地震持續10 s［27-28］。根據地震的頻率和持續時間可知，大約100個周期是結構最容易發生破壞的時期。通過對自感知鋼絞線進行高應力幅低周期循環拉伸試驗，證明了采用內嵌式封裝技術能有效地保證傳感器的存活率，可最大限度地監測鋼絞線全生命周期的受力狀態。

表2 疲勞性能試驗結果

3 結論

1）內嵌式自感知鋼絞線的應變，在循環次數較少時，變化較大且呈下降趨勢；在經過一定的循環周期后，隨著循環次數的增加，其應變變化開始趨于平緩；當經過200個循環周期后，自感知鋼絞線的等幅應變基本處于穩定狀態。

2）內嵌式自感知鋼絞線通過波長推算出的應變與實測應變較為接近，兩者平均誤差在3%左右，在合理的誤差范圍之內，具有良好的可靠性。

3）內嵌式自感知鋼絞線可以有效地監測鋼絞線自身的受力情況，經歷200個周期循環荷載后，具有良好的線性度和重復性，監測量程超過鋼絞線屈服應力，能夠實現對鋼絞線全生命周期的應力應變監測。

4）凹槽封裝光纖光柵能有效提高傳感器的成活率且對鋼絞線的力學性能影響很小。光纖光柵傳感器對鋼絞線在高應力幅狀態下仍可保持可靠的監測性能，是一種有效的結構健康監測技術，有著廣闊的市場發展前景。