FBG傳感技術(shù)在橋梁樁基內(nèi)力檢測中的應(yīng)用探析

王為民 （福建省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司，福建 福州 350001）

1 引言

在橋梁柱基澆筑過程中，鋼筋與混凝土之間的摩擦相對較大，鋼筋表面所粘貼的應(yīng)力計和應(yīng)變片斷裂的概率也會隨之加大。與傳統(tǒng)檢測方式相比，F(xiàn)BG傳感器技術(shù)的優(yōu)點極為顯著，具體表現(xiàn)為高精度、耐久性強、抗干擾能力強和壽命長，目前，該技術(shù)已經(jīng)在橋梁工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，且取得了良好的應(yīng)用效果。因此，研究這項技術(shù)在橋梁樁基內(nèi)力檢測中的應(yīng)用，具有十分重要的意義。

2 FBG傳感技術(shù)的優(yōu)勢及原理

2.1 優(yōu)勢

在橋梁樁基中，鉆孔灌注樁這種結(jié)構(gòu)形式十分常見，其施工質(zhì)量與橋梁安全性和穩(wěn)定性存在密切的關(guān)聯(lián)。橋梁樁基作為地下隱蔽工程，施工地點主要位于地下或水下，具有現(xiàn)場監(jiān)控難度大的特點，再加上樁基施工工序較多，且需要密切配合，如果施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，極易引發(fā)一系列的質(zhì)量缺陷。比如：夾泥、擴(kuò)徑、斷樁、縮徑等，這些缺陷的出現(xiàn)，會使樁身完整性和承載能力受損，因此，在施工階段，需要采取有效的技術(shù)措施，檢測鉆孔灌注樁的樁身質(zhì)量。

目前，常用的檢測方法分為三種：①超聲波透射法；②靜載試驗法；③樁基動應(yīng)變檢測法。就總體應(yīng)用范圍來看，靜載試驗法的應(yīng)用最為普遍，這種方法在應(yīng)用過程中，需要將應(yīng)變片和鋼筋應(yīng)力傳感器埋設(shè)到樁身的不同部位，以此來獲取樁土作用規(guī)律以及荷載傳遞規(guī)律等信息。但傳感器和應(yīng)變片容易在鋼筋和混凝土摩擦力的作用下斷裂，成活率偏低，且這種傳感器屬于點式傳感器，存在精度、靈敏度和抗電磁干擾能力不強的缺陷，逐漸與要求不符。而FBG傳感技術(shù)與之相比，則具有顯著的優(yōu)勢。具體表現(xiàn)為光纖光柵傳感器的傳輸方式，以信號傳輸為主，傳感器重量輕、體積小、抗干擾性強，在使用壽命和信號傳輸距離上的優(yōu)勢極為顯著。同時還能與粘貼物體同時變形，不會對監(jiān)測結(jié)構(gòu)的材料及力學(xué)性能造成影響，屬于傳統(tǒng)點式檢測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和延伸。

2.2 測量原理

3 工程案例介紹

3.1 工程概述

某單聯(lián)三跨變截面連續(xù)箱梁的長度為110m，橋梁的寬度為40m，跨徑布置為30+40+30。河道中心是布置點，共分為兩幅，分別為左幅橋和右幅橋。其中，單幅橋的寬度為20m，其中人行道為5m，車行道為13m，防撞欄為2m，三者相加為20m。橋梁工程縱斷面如圖1所示。

圖1 橋梁工程縱斷面

考慮到工程所處位置是灘涂地，碎裂狀裂隙巖在巖層中的占比較大，地基基礎(chǔ)較差，為保證樁基質(zhì)量和完整性，因此，在正式施工開始前，需要通過靜載荷載試驗和樁身內(nèi)力測試的方式，對橋梁樁基的承載性能進(jìn)行明確。本文以其中某一根橋梁樁作為試驗對象，應(yīng)用FBG傳感技術(shù)說明測試結(jié)果。試驗橋梁樁的混凝土強度等級為C35，其長度為2m，直徑為1.8m。

在本次試驗中，所選擇的反力裝置為壓重平臺和試驗塊，所采用的方法為慢速維持荷載，為實現(xiàn)對側(cè)樁頂部荷載作用下樁身應(yīng)力和樁基效果的準(zhǔn)確測量，試驗人員將20個FBG傳感器和應(yīng)力計設(shè)置到主筋上，這里所說的主筋，是與鋼筋籠相對稱的主筋。出于將FBG傳感器在樁基中垂直鋪設(shè)的考慮，在固定過程中，試驗人員對傳感器進(jìn)行了預(yù)拉應(yīng)變的施加。與此同時，還對位于樁基底部的傳感器進(jìn)行U形連接，并確保傳感器所處位置與主筋測表面相接近。對于已經(jīng)鋪設(shè)的傳感器，其接線應(yīng)該在橋梁樁頂端預(yù)留一定的長度，通常情況下不得小于3m。在獲取試驗數(shù)據(jù)時，所采用的裝置為光纖光柵應(yīng)變采集儀。為規(guī)避混凝土養(yǎng)護(hù)破壞傳感器接線，還要對其采取有效的防護(hù)措施。

3.2 計算樁身內(nèi)力的方法

在進(jìn)行單樁豎向靜荷載試驗的過程中，應(yīng)該在樁頂圓心位置使用千斤頂，通過這種方式，模擬荷載施加的過程，究其原因，主要是這種荷載施加方式，可以有效規(guī)避偏心現(xiàn)象。若樁基的長度由H表示，遵循自上而下的原則，將樁基分為x個單元，則單元長度可用公式l=H/x計算。將若干個FBG傳感器布置到樁基縱向主筋的左右側(cè)，通過測量得到的結(jié)果為樁基軸向應(yīng)變。與理論力學(xué)知識相結(jié)合，可知任意深度z處的軸力可以由下述公式表示：

將樁身豎向荷載傳遞關(guān)系作為依據(jù)，可得到關(guān)系式（3）：

在公式（3）中，樁側(cè)摩擦力由qs（z） 表示；平均應(yīng)變變化量由Δε表示；樁身相鄰計算單元間距由ΔZ表示。

4 試驗檢測結(jié)果分析

4.1 應(yīng)變檢測結(jié)果

在不同等級荷載的作用下，F(xiàn)BG傳感器得到曲線如圖2所示，觀察圖片后得知，樁身兩側(cè)光纖傳感器所獲取的應(yīng)變分布曲線大致相符，呈對稱關(guān)系，這表明測量區(qū)域的施工質(zhì)量較高，混凝土灌注并不存在質(zhì)量缺陷。同時，還能發(fā)現(xiàn)在部分檢測斷面上，應(yīng)變分布曲線有所波動，究其原因，主要是后期注漿階段，混凝土漿液在樁土界面上流動不均勻，此外，樁身材料不均勻同樣是引發(fā)此類現(xiàn)象的成因。將上述公式作為依據(jù)，可以對不同的荷載等級下的樁身軸力和側(cè)摩阻力進(jìn)行計算，并得到如下結(jié)論：

圖2 樁身應(yīng)變分布圖

在觀察圖3和圖4可知，在相同等級荷載作用下，樁基深度與樁身軸力存在負(fù)向關(guān)聯(lián)，具體表現(xiàn)為樁基深度越大，軸力越小。在樁身埋深為8m時，第一個拐點來臨，其軸力快速下降，直至為零。在樁基埋深為8m范圍內(nèi)，深度和軸身摩阻力的關(guān)系為正相關(guān)，但這種關(guān)系在埋深超過8m后發(fā)生了變化，在分析原因后得知，樁基埋深超過8m后，覆蓋樁基的土地會導(dǎo)致樁頂荷載被損耗。在荷載等級不斷增加的趨勢下，埋深不同的樁身，其軸力和摩阻力均顯著增加，但軸力曲線分布呈相反的趨勢，主要以減小為主，從側(cè)面反映出，在加載初期，樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮并不完全，但在荷載等級增加后，摩阻力會被完全發(fā)揮?？梢?，在檢測橋梁樁基內(nèi)力中運用FBG傳感技術(shù)，能夠使樁土作用規(guī)律、荷載傳遞特性被充分反映。

圖3 樁身軸力分布圖

圖4 樁身摩阻力分布圖

4.2 FBG傳感器和應(yīng)力計的對比

為進(jìn)一步明確FBG傳感器的應(yīng)用效果，本次試驗將其與應(yīng)力計測得的結(jié)果進(jìn)行對比，對比結(jié)果表明，在試驗樁最大荷載時，F(xiàn)BG傳感器的結(jié)果與應(yīng)力計測得結(jié)果大致相同，誤差≤6%，如下表所示。這表明，將FBG傳感技術(shù)應(yīng)用到橋樁基內(nèi)力檢測中完全可行。

FBG傳感器和應(yīng)力計測得值對比

5 結(jié)論

綜上所述，在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的背景下，在建筑工程中應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，成為了建筑技術(shù)未來發(fā)展的趨勢，F(xiàn)BG傳感器技術(shù)就屬于建筑技術(shù)與科學(xué)技術(shù)相融合的產(chǎn)物。試驗結(jié)果表明，在橋樁基內(nèi)力檢測中應(yīng)用這項技術(shù)，可以實現(xiàn)對橋梁樁身軸力和側(cè)摩阻力的準(zhǔn)確計算，并且在計算結(jié)果上與傳統(tǒng)應(yīng)力計大致相同，具備非常高的應(yīng)用可行性，建議建筑行業(yè)予以重視。