基于內嵌式自感知鋼絞線的預應力混凝土梁長期預應力損失監測

覃荷瑛 韋健全

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

自第一座后張法預應力混凝土橋在德國建成之后，預應力混凝土得到了快速發展。然而，在長期的服役過程中，鋼絞線的應力松弛、混凝土的徐變收縮、鋼絞線與孔道的摩擦、錨固裝置的變形等因素導致結構中的預應力減小，甚至會引發事故。因此，監測預應力結構的預應力損失，對于預應力結構安全使用具有重大的意義［1］。預應力監測方法主要有兩種：一種是將原結構開孔，對鋼絞線進行監測，但是這種方法對結構有一定損傷，另一種是無損監測技術［2］。

1997年Ahlborn等［3］采用聲發射技術對兩座實際橋梁的預應力損失進行了監測，該技術的抗環境干擾性較弱。2000年Vimalanandam等［4］采用鋼筋應力釋放孔技術監測混凝土梁的剩余有效預應力，因其屬于局部破損方法，且操作繁瑣而受限制。2002年Chen等［5］使用超聲波檢測法對結構的預應力損失進行了監測，但實際工程中不適合大規模使用。其他監測方法存在一定的局限性，如導波法［6］因技術原因無法大范圍推廣；頻率法［7］考慮的因素較多，如拉索端部約束至少有一側為剛接等；振弦式傳感器［8-9］的有效性和長期可靠性還需要探討；彈磁性傳感器［10-11］容易受電磁干擾而影響監測過程。這些監測方法的缺點是靈敏度低、長期穩定性差、壽命短，測量易受環境影響，不能進行分布測量，無法監測結構內部的預應力損失，難以滿足實際工程的需求。光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）具有體積小、耐腐蝕、傳輸距離遠、不受電磁干擾，可以埋入結構內部等優點［12］，可以很好地彌補傳統監測技術的不足，得到許多學者的關注并廣泛應用于預應力結構健康監測中。劉文濤等［13］利用光纖光柵傳感器對橋梁預應力進行了監測。鄧年春等［14］發現光纖光柵可對預應力鋼絞線進行有效的預應力測量，且線性度較好。董海等［15］首次將一種基于光纖傳感技術的新型緩黏結預應力智能鋼絞線應用于大跨度緩黏結預應力混凝土結構的預應力損失監測與安全評估工程實踐中。王天昊等［16］通過分析混凝土收縮徐變引起的預應力損失機理，提出基于光纖傳感技術的預應力混凝土收縮徐變單項損失測試方法。

內嵌式自感知鋼絞線［17］是將光纖光柵傳感器嵌于中心絲內，避免裸光柵在沒有保護的情況下損壞折斷，提高了存活率，能夠有效監測結構服役期間的預應力變化。

本文采用后張法預應力混凝土梁，制作內嵌式自感知鋼絞線并進行重復拉伸試驗，對自感知鋼絞線的試驗環境進行簡易模擬，研究自感知鋼絞線在堿性灌漿料環境中的工作性能，然后澆筑預應力混凝土梁并進行長期應力損失監測。

1 長期預應力損失的計算

1.1 預應力鋼筋松弛引起的預應力損失

預應力鋼筋在長期保持高強度拉應力的工作狀態下，其長度保持不變，應力會隨著時間的增長而降低，從而引起預應力損失σl5，由鋼筋松弛引起的預應力損失按JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》進行計算，即

式中：ψ為張拉方式影響參數，一次張拉時ψ=1.0；ζ為松弛系數，普通松弛（Ⅰ級松弛）時ζ=1.0，低松弛（Ⅱ級松弛）時ζ=0.3；σpe為后張預應力鋼筋傳力錨固后的應力，σpe=σcon-σl1-σl2-σl4，σcon為控制應力，σl1為預應力筋與管道壁之間摩擦引起的預應力損失，σl2為錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮引起的預應力損失，σl4為混凝土彈性壓縮引起的預應力損失；fpk為預應力鋼筋的抗拉強度標準值。

1.2 混凝土收縮徐變引起的預應力損失

收縮和徐變會使混凝土的長度縮短，導致預應力鋼筋回縮而產生預應力損失。該項損失的影響較復雜，JTG 3362—2018給出了用于構件截面受拉區和受壓區混凝土收縮徐變應力損失的近似計算公式，即

式中：σl6、σ′l6分別為構件截面受拉區和受壓區預應力鋼筋合力作用位置由混凝土收縮徐變引起的預應力損失；αEP為預應力鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值；σpc、σ′pc分別為構件截面受拉區和受壓區全部鋼筋合力作用位置由預應力鋼筋產生的混凝土截面正應力；φc(t，t0)為加載齡期為t0、計算考慮齡期為t時的徐變系數；Ep為預應力鋼筋的彈性模量；εcs(t，t0)為預應力鋼筋傳力錨固齡期為t0、計算考慮齡期為t時的混凝土收縮應變；ρ、ρ′分別為構件截面受拉區和受壓區全部鋼筋的筋率，ρ=(Ap+As)/A，ρ′=(A′p+A′s)/A；Ap、A′p分別為構件截面受拉區和受壓區預應力鋼筋的截面面積；As、A′s分別為構件截面受拉區和受壓區非預應力鋼筋的截面面積；A為構件截面面積，后張法中A=An，An為凈截面面積；；i為界面回轉半徑；eps、e′ps分別為構件截面受拉區和受壓區全部鋼筋合力作用位置至構件截面形心軸的距離，分別為構件受拉區、受壓區預應力鋼截面重心至構件截面重心的距離；分別為構件受拉區、受壓區縱向普通鋼筋截面重心至構件截面重心的距離。

2 鋼絞線的重復拉伸試驗

2.1 光纖光柵原理

光纖光柵纖芯的折射率呈周期性變化［18］。FBG的反射或透射波長光譜主要取決于光柵周期Λ和反向耦合模的有效折射率neff，任何使其改變的物理過程都將引起光柵Bragg波長λB的漂移［19］，則有

當只受軸力影響而忽略溫度變化時，波長的變化與應變的關系［21］為

式中：Δλ為波長的變化值；μ為泊松比；P11、P12為光彈效應系數；P為光彈系數；ε為應變；Kε為FBG應變靈敏度。

2.2 試件制作

采用1×7標準低松弛預應力鋼絞線制作內嵌式自感知鋼絞線，公稱直徑15.2 mm，截面面積140 mm2，極限抗拉強度fptk=1 860 MPa（對應極限張拉荷載Pb=260 kN）。制作時先將鋼絞線機械打散，抽出中心絲并在中心絲上沿長度方向刻制一條1 mm（寬）×1 mm（深）的凹槽，在預張拉條件下用環氧樹脂封裝光纖光柵，再將中心絲與邊絲重新捻合，在端部進行保護并接出引線，見圖1。

圖1 自感知鋼絞線實物

為探究FBG自感知鋼絞線在使用過程中重復率和線性度的情況，對其進行重復張拉試驗。試驗共制備4根相同型號的FBG自感知鋼絞線，編號T1—T4。單根鋼絞線長9 m，為了方便測試數據，加長了封裝的引線，即內嵌9.906 m串聯高強度光纖光柵（兩端引線長453 mm），每根鋼絞線內串聯5個光纖光柵傳感器。具體布置方式見圖2。

圖2 光柵點布置（單位：nm）

張拉設備使用YCM100B?200穿心式千斤頂及智能張拉控制系統，光纖光柵解調儀為Agilent86142B光譜儀，解調波長范圍為1 525～1 565 nm，采樣頻率1 Hz，波長精度2.5 pm，分辨率1 pm。

2.3 加載步驟

①對自感知鋼絞線進行預張拉，荷載為10%Pb，使錨具加緊，并檢查各設備工作情況，確認無誤后卸載；②采用逐級加載的方式進行張拉，以每級5%Pb的拉力將鋼絞線的荷載從0逐級增至80%Pb，每級荷載持荷5 min，待光纖光柵波長穩定后記錄波長；③最后一級張拉荷載達到195 kN時，保持荷載10 min，確認光纖光柵傳感器的跟隨狀態，是否有損毀，若無損毀則記錄數據，繼續試驗；④逐級卸荷至0，重復加卸載2次；⑤加載剩余的自感知鋼絞線。

2.4 數據分析

以自感知鋼絞線應變為橫坐標，光纖光柵傳感器的中心波長為縱坐標，將循環加載試驗的中心波長數據與千斤頂的張拉荷載進行線性擬合，第1根鋼絞線自感知應變-波長擬合曲線見圖3。其余3根鋼絞線擬合曲線規律與圖3相似。

圖3 自感知應變-波長擬合曲線

由圖3可知：在同一根自感知鋼絞線中，光柵點處的應變與波長具有良好的線性關系，數據穩定，沒有突變；五個光柵傳感器響應靈敏，能夠與鋼絞線協同變形。三次加卸載中的擬合直線幾乎重合，傳感器并沒有因多次張拉產生明顯的波長漂移。根據圖3得到每個測點的擬合方程基本一致，各光纖光柵傳感器擬合準確度高，相關系數均大于0.99，且量程均超過7 000×10-6，證明內嵌式自感知鋼絞線可靠，可以應用到實際工程中。

3 堿性水泥漿環境下的模擬試驗

內嵌式自感知鋼絞線作為一種新型監測手段，其在混凝土環境下的可靠性及傳感系統的失效機理尚不明確。由于鋼絞線的耐久性較好，光纖光柵耐腐蝕性較強，在正常使用情況下，自感知鋼絞線封裝部位的膠粘劑可能最先失效。為研究自感知鋼絞線在堿性灌漿環境中的工作性能，在進行長期預應力損失監測之前，須對自感知鋼絞線的試驗環境進行模擬，判斷膠粘劑是否失效。

由于自感知鋼絞線的薄弱部位位于中心絲的封裝部分，直接用自感知中心絲進行試驗，不僅可以直接對封裝部分進行腐蝕，還易觀察封裝部分的受腐蝕情況。自感知中心絲的制作過程與自感知鋼絞線的制作過程類似，僅少了最后一步重新捻合的過程。

取3根長度為1.5 m的自感知中心絲分別置入長為1 m波紋管中，灌注水灰比為0.45的硅酸鹽水泥漿，用來模擬鋼絞線的堿性工作環境。3組試件編號為S1—S3，置于與試驗梁同等環境下分別模擬養護10、20、60 d，養護期滿后敲碎外裹水泥塊取出自感知中心絲。不同試件自感知中心絲養護前后的情況見圖4。

圖4 水泥漿試件

試驗現象：養護至10 d的S1試件在剝離外裹的水泥包層后，鋼絞線仍保持清晰光澤，未出現腐蝕坑，膠粘劑緊貼凹槽，化學性質穩定。養護至20 d的S2試件，膠粘劑表面出現少許黑色斑點，但并未影響其黏結性能。養護至60 d的S3試件，膠粘劑表面吸附了硬化的水泥粉塵及水泥小顆粒，但膠粘劑的化學性質仍穩定，能提供有效黏結力，并未出現失效脫落現象。可見，堿性介質對環氧類膠粘劑具有一定的腐蝕性，而普通硅酸鹽水泥的凝固時間較快，雖然會與膠粘劑產生化學反應，但反應時間短、接觸面積小，中心絲的封裝結構并不會因此產生大面積損壞。這說明內嵌式自感知鋼絞線在堿性水泥環境下能保持正常的監測性能。

4 預應力混凝土梁長期預應力損失監測

4.1 混凝土矩形梁設計及制作

依據GB 50010—2010《混凝土設計規范》對試驗梁進行設計。試驗梁全長7 m，截面尺寸為300 mm（寬）×550 mm（高），保護層厚度為25 mm。選擇C30商品混凝土，梁底部縱向受拉鋼筋為2φ22的鋼筋；頂部架立筋為3φ10的鋼筋，對稱布置；中部腰筋為4φ12的鋼筋，每側兩根；箍筋端部加密區φ8@100，中部非加密區為8@200。為避免梁端在施加預應力期間產生局部破壞，在靠近梁端附近配置間距為50 mm的錨下空間網狀加強鋼筋，并于梁端增設300 mm×300 mm×10 mm的方形鋼墊板。本次試驗共澆筑2根預應力混凝土梁，編號B1、B2，每片預應力梁布設兩根FBG自感知預應力鋼絞線，預埋波紋管成孔。鋼絞線編號規則如下：G1、G1'為B1梁內鋼絞線的編號，G2、G2'為B2梁內鋼絞線的編號。B1梁采用直線型預應力孔道，B2梁采用中心對稱的曲線型預應力孔道。測點布置見圖5。

圖5 梁內光柵測點布置（單位：mm）

對應于P1、P2、P3、P4、P5監測點的光纖光柵傳感器的初始中心波長分別為1 532、1 541、1 538、1 550、1 555 nm。曲線型孔道梁中，P3位于梁中點，P1、P5位于鋼絞線起彎點，而P2、P4分別位于鋼絞線彎起的最高點與最低點。

4.2 長期預應力損失監測

隨時間變化而不斷增大的預應力損失一般稱為長期預應力損失，這一損失主要由預應力筋松弛引起的預應力損失和混凝土收縮徐變引起的預應力損失兩部分組成。由光纖光柵的作用機理可知，FBG自感知絞線基于鋼絞線的應變測試數據計算得到預應力損失。由于鋼絞線是定長的，因此鋼絞線應力松弛引起的預應力損失無法通過內部埋設的FBG傳感器來進行測量，說明通過內嵌式自感知鋼絞線測得的數據就是由于混凝土收縮徐變引起的預應力損失。為了得到預應力混凝土梁的長期預應力損失，須考慮JTG 3362—2018計算的σl5作為鋼絞線的預應力損失。

在712 h（約30 d）的時間段內對自感知鋼絞線進行數據采集，將FBG傳感器的監測結果繪制成時間—應變曲線，見圖6和圖7。橫坐標中的0是從鋼絞線張拉錨固完成的那一刻開始起算。由圖6和圖7可知：①FBG傳感器在監測時段內能夠保持良好的工作性能，不同時間段監測到的應力雖有一定程度的波動，但仍處于合理區間。②應力前10 d損失較快，隨著時間的增長，應力變化率趨于平緩，與理論變化規律相符；③同一鋼絞線中各測點的應變曲線形狀基本一致，變化幅度接近，說明由混凝土收縮徐變引起的鋼絞線應變變化較為均勻，大小與監測點在鋼絞線中的分布位置并沒有太大關聯；④由于兩種預應力損失不同，各鋼絞線的初始應變有一定的差異，其應變曲線存在細微差別，但總體上呈逐漸遞減的趨勢，且時間越長應變遞減速率越慢。

圖6 B1梁鋼絞線時間-應變曲線

圖7 B2梁鋼絞線時間-應變曲線

根據JTG 3362—2018計算30 d監測期內由鋼絞線松弛引起的預應力損失σl5。將計算的σl5與監測得到的混凝土收縮徐變引起的預應力損失σl6相加作為鋼絞線長期預應力損失，見表1。可知，B1梁與B2梁各測點對應的長期預應力損失相差不大，但B1梁的長期應力損失大于B2梁的長期應力損失，說明孔道布置方式對長期預應力損失有一定的影響。

表1 鋼絞線應力損失 MPa

4.3 對混凝土收縮徐變計算公式的修正建議

由于JTG 3362—2018中考慮的因素與實際工程有差異，不能精確計算預應力損失，而內嵌式自感知鋼絞線直接通過混凝土的收縮徐變來計算預應力損失，與實際工程中的預應力損失更吻合。將混凝土收縮徐變引起的預應力損失實測值與規范計算的理論值進行對比，發現實測值均大于理論值。兩者之間存在一個修正系數k，即

式中：k為修正系數，取1.4～1.6。

4.4 長期預應力損失率及誤差分析

將長期預應力損失與控制應力相比得到預應力損失率，實際損失率與理論損失率的差值為相對誤差，計算結果見表2、表3。

表2 B1梁長期預應力損失

表3 B2梁長期預應力損失

由表2和表3可知：直線孔道B1梁最大長期預應力損失為90～100 MPa，占張拉控制應力的7%；曲線孔道B2梁最大預應力損失為60～70 MPa，占張拉控制應力的5%；各測點預應力損失與理論計算值的差值在0～20 MPa，相對誤差在17%以內，最大誤差16.84%。曲線孔道的計算修正值比直線孔道的計算修正值小，導致曲線孔道的誤差較大，約為直線孔道的1.7倍。實測預應力損失與理論損失之間具有一定偏差，但仍處在合理范圍內。主要原因是σl5與σl6的計算方法僅是在理論上提出的一種計算預應力損失的參考方法，與實際工程相比存在一定誤差。

5 結論

1）內嵌式自感知鋼絞線在重復拉伸下能保持良好的線性度及重復率，且量程均超過7 000×10-6，說明了內嵌式自感知鋼絞線的制作方法可靠，可以應用到實際工程中。

2）在堿性水泥砂漿的模擬試驗下，3組自感知中心絲沒有被腐蝕破壞，封裝結構保持完好，說明內嵌式自感知鋼絞線能較好地適應堿性水泥漿體環境，并能保持良好的監測性能。

3）內嵌式自感知鋼絞線的監測結果可以正確反映預應力混凝土收縮徐變的長期變化規律。

4）不同FBG自感知鋼絞線監測到的應力長期損失率及誤差雖有差異，但其損失率與理論計算值基本吻合，監測結果基本準確。

5）通過引入修正系數k（k=1.4～1.6），對JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》由混凝土收縮、徐變引起預應力損失的計算公式進行了修正。