基于OFDR的H型鋼梁應變監測試驗研究★

王 振，王建樂，馬谷劍，張昆橋，王任雅弘

(1.中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北 武漢 430223；2.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；3.福建福清核電有限公司,福建 福清 350318；4.華中科技大學土木與水利工程學院，湖北 武漢 430074)

鋼結構由于鋼材具有強度高、質量輕、塑性和韌性好、安裝方便、施工期短等優點，同時還是理想的彈性材料，故鋼結構應用范圍越來越廣[1]。目前，核電壓水堆安全殼結構為保證其密封性，設置有鋼制襯里。美國西屋公司設計的AP1000核電機組采用非能動設計，采用鋼制安全殼，將鋼制安全殼作為最終熱阱的換熱面[2]。為保障安全殼鋼制結構的可靠性，掌握鋼結構的腐蝕情況與受力狀態，鋼結構的應變監測對于預防鋼結構的病害十分重要。在土木工程領域，光纖智能健康監測方法是對建筑物或構筑物的健康狀況進行檢測的一種新方法[3]。光纖傳感器在許多方面取得了發展，例如應變、溫度、加速度、角度、裂縫等方面的測量[4]。其中基于瑞利散射光頻域反射(OFDR)技術由于其監測范圍廣、空間分辨率高、監測精度高，廣泛應用于結構監測。李豪杰、高磊、劉庭金通過試驗研究驗證了OFDR技術應用于土體變形測量、鋼板應變監測、鋼筋混凝土結構裂縫探測中的可行性[5-7]。然而在鋼結構中大范圍的分布式光纖健康監測的研究還比較少。

為實現智慧核電的升級目標，擬基于光纖傳感技術開發安全殼全域應變監測技術。為驗證光纖傳感技術的可行性，針對材料屬性較均勻的鋼梁進行了四點彎曲試驗研究，分別采用光纖光柵傳感器(FBG)、基于布里淵光頻域分析(BOFDA)技術和基于瑞利散射光頻域反射(OFDR)技術的分布式光纖傳感器進行鋼梁應變監測，探究光纖傳感器監測應變的可行性與準確性，為后續安全殼的健康監測系統開發與應用提供參考數據。

1 光纖傳感技術原理

分布式光纖感測技術基于光纖中的三種散射，分別為布里淵散射光、拉曼散射光和瑞利散射光[8-9]。

OFDR基于光纖背向瑞利散射的技術，基本原理圖如圖1所示，采用相關探測手段進行信號處理。光源發出光經耦合器后分為兩路，一路進入待測光纖中，在光纖各位置上不斷地產生瑞利散射信號，信號光是背向反射的，與另一路參考光發生干涉，兩者產生拍頻信號被光電探測器檢測到，拍頻與待測光纖位置成正比。

當待測光纖某一位置受溫度、壓力或應變影響，此處光纖會產生瑞利散射頻移，如圖2所示。通過測量瑞利散射頻移量，可以實現對某一位置的應變和溫度測量以及整根光纖分布式測量。

2 試驗研究

2.1 試驗設計

本試驗通過對鋼梁進行加載試驗，采用分布式光纖傳感器等多種監測元件測試鋼梁試驗件的局部應變，對比分析各監測裝置數據測試的準確性。本試驗采用標準的Ⅰ14鍍鋅工字鋼，強度等級為Q235，尺寸為140 mm×80 mm×5.5 mm×2 000 mm。

試驗采用液壓千斤頂，通過分配梁進行四點彎曲加載試驗[10]，本試驗為靜載試驗，試驗梁支承方式為簡支，鋼梁全長2 000 mm，支座距離梁端100 mm，計算跨度為1 800 mm，兩點加載間距1 000 mm，如圖3所示。鋼梁加載設備為華中科技大學結構大廳伺服壓力機。全程采取分級加載，試驗前，預加載進行3次，檢查儀器以及構件加載是否正常，正式試驗時，每級5 kN，加載至指定荷載后持荷4 min，期間進行鋼梁應變數據采集。鋼梁的應變數據采集選用DH3816N靜態應力應變測試分析儀、德國FibrisTerre公司生產的基于BOFDA的FTB5020分布式光纖解調儀、武漢昊衡科技生產的基于OFDR技術的OSI分布式光纖解調儀。FTB 5020分布式光纖解調儀的最高空間分辨率為0.2 m，應變測量精度可達到2 με，OSI分布式光纖解調儀，空間分辨率可達到0.001 m，應變測量精度可達到1 με。

2.2 傳感器布設

本試驗采用的監測元件包括0.9 mm與2 mm聚氨酯緊護套光纖、應變高傳遞復合分布式光纖、3aa電阻應變片、FBG。測試內容包括鋼梁應變(腹板與翼緣)、撓度，監測元件的布置信息見表1，示意圖如圖4所示。其中，1號、2號分布式光纖串聯，3號、4號分布式光纖串聯，15-1號、16-1號分布式光纖串聯，采用OSI分布式光纖解調儀(OFDR)采集數據，15-2號、16-2號分布式光纖串聯，采用FTB 5020分布式光纖解調儀(BOFDA)采集數據。應變片布置于分布式光纖附近，用于與光纖傳感器監測數據對比。

表1 監測元件位置信息表

分布式傳感光纖、光纖光柵傳感器及應變片均采用膠粘的方式布置在鋼梁表面，應變片布設前對鋼梁進行打磨與清理，采用3MDP系列環氧樹脂膠黏接。

3 試驗結果及分析

由于鋼梁簡支梁體積較大，很難精確掌握其基體應變，故以電阻應變片測量值作為基體應變[11]，光纖測試數據與其對比。本試驗中使用溫度變化法結合壓力變化法在試驗前進行分布式光纖指定測試點的定位，測量誤差小于5 mm，測點定位信息如表2所示。

表2 分布式光纖測試范圍定位信息

3.1 FBG應變監測結果

17號～22號FBG傳感器的測試數據如圖5，圖6所示。6個FBG測試數據均隨著荷載增加呈線性變化，理論上相同高度處應變值一致，實際加載至最大荷載時，受壓區傳感器差值最大為30 με，受拉區傳感器差值最大為70 με，監測差距可能為傳感器布置位置未完全處于同一高度。

3.2 BOFDA應變監測結果

15-2號、16-2號應變高傳遞復合分布傳感光纖監測結果如圖7，圖8所示。

3.3 OFDR應變監測結果

對OSI-S解調儀采集數據進行讀取，1號～4號、15-1號～16-1號分布式光纖在各級荷載下的監測數據如圖9～圖14所示。

3.4 應變片監測結果

應變片測試結果與其他傳感器測試結果進行比對，測試結果如圖15所示。

3.5 結果分析

分布式光纖OFDR與FBG傳感器在鋼梁拉、壓區純彎段每級荷載的應變測試曲線均呈線性增長。在受壓區域，分布式光纖測試值高于FBG測試值，在受拉區，分布式光纖測試值低于FBG測試值。FBG隨荷載的變化，受拉區，線性變化率為16.4 με/(kN·m)；受壓區，線性變化率為-16.1 με/(kN·m)，拉、壓狀態線性變化率較為一致。

BOFDA與OFDR兩種解調儀測試數值差別不大，OSI-S解調儀測試數據表現出更好的線性，與理論結果較一致，鋼梁純彎段不同位置處FTB5020解調儀的測試數值的方差大于OSI-S解調儀測試數據。比較0.6 m內純彎段的測試數據的平均值，在500 με范圍內，兩種解調儀測試數值的測試誤差小于10%。

比較分布式光纖OFDR與應變片測試結果，分布光纖測量結果較應變片測量結果呈現出在受拉區偏大，偏大約30%，在受壓區域偏小，偏小約30%。后期應開展標定試驗以確定不同粘貼工藝的光纖監測應變傳遞系數，保證測量結果的準確性。分布式光纖隨荷載的變化，受拉區，線性變化率為19.1 με/(kN·m)；受壓區，線性變化率為-16.0 με/(kN·m)。應變片隨荷載的變化規律為受拉區線性變化率為12.1 με/(kN·m)，受壓區線性變化率為-16.68 με/(kN·m)。兩類傳感器拉、壓狀態線性變化率均存在不一致的情況。

4 有限元仿真分析

4.1 模型建立

使用ABAQUS有限元軟件建立Ⅰ14工字形鋼梁的實體模型，材料屬性為Q235，材料密度為7 850 kg/m3，彈性模量為205 GPa，泊松比為0.2。

全程采取分級加載，每個分析步加載5 kN，每個加載點累計加載從0 kN到35 kN。為了探究梁的純彎段應變分布，采用六面體結構化網格C3D20R，為了方便得出不同位置節點處的應變值，網格密度沿梁高度與長度方向均設置為10 mm等間距網格。

根據設定約束條件及加載制度進行靜力計算，荷載達到70 kN時，鋼梁應變云圖如圖16所示。

4.2 模型計算結果對比

緊護套光纖布設部位仿真結果與實測結果數據對比如圖17所示。

緊護套分布式光纖測試值和仿真值曲線趨勢基本一致，各級荷載作用下的測試曲線無交叉，分布均勻，表明測試結果能夠從趨勢上反映鋼梁應變的變化。從測試結果來看，純彎段大致在X=-0.4～0.4之間，這與仿真結果是一致的。相較于仿真值，在分配梁加載點(X=±0.5)附近的測試值總體偏小。在純彎段，4號和15號測試值與仿真值較為接近。總體上存在，壓區測試值偏大，拉區測試值偏小的趨勢。

從16號以及4號的測試結果來看，應變高傳遞復合分布傳感光纖對粘貼工藝要求更高(包括對預拉的緊繃程度及光纖筆直的要求)。本次測試，16號在應變超過200 με后，跨中應變曲線出現數值波動較大的現象。

從15號和1號的測試結果來看，在純彎段，0.9 mm護套分布式光纖測試值較2 mm護套分布式光纖測試值更接近仿真值，說明護套厚度對測試精度有影響，護套厚度越小，測試結果越精確。但護套厚度越小，對粘貼工藝和成活保護的要求越高。

由于梁背面FBG安裝的影響，實際上梁背面16-1號與梁正面4號以及15-1號與1號高度存在不一致，數值有誤差，但總體測試曲線線性變化趨勢一致。

FBG布設部位仿真結果與實測結果數據對比如圖18所示。

以上數據表明，試驗實測數據均大于理論值，受壓區FBG的測試數據與理論值的誤差為20%，受拉區三組數據，跨中21號FBG測試數據與理論值相差較大，為38%，其他兩組測試數據與理論值相差均小于16%。

應變高傳遞復合分布傳感光纖仿真結果與實測結果對比如圖19所示。

以上數據表明，試驗實測數據略大于理論值，受壓區應變高傳遞復合分布傳感光纖的測試數據與理論值的誤差小于25%，受拉區應變高傳遞復合分布傳感光纖的測試數據與理論值加載初期誤差偏大，穩定后誤差小于25%。

5 結論

1)測試數據表明，分布式光纖隨荷載的變化，受拉時線性變化率為19.10 με/(kN·m)，受壓時線性變化規律率為-16.00 με/(kN·m)。FBG隨荷載的變化，受拉時線性變化率為16.40 με/(kN·m)，受壓時線性變化規律率為-16.10 με/(kN·m)。應變片隨荷載的變化，受拉時線性變化率為12.10 με/(kN·m)，受壓時線性變化率為-16.68 με/(kN·m)。FBG傳感器監測數據穩定，隨各級荷載增加而遞增，呈線性變化。分布式光纖與應變片拉壓測試所表現的線性規律不一致，但均隨著荷載增加呈線性變化。各傳感器測試結果具有較高的可靠性。分布式光纖、FBG以及其解調儀測試準確性與測試精度滿足現場工程需求。

2)緊護套分布式光纖與OSI-S解調儀可準確反映鋼梁應變的變化，試驗測試值與應變片測試結果誤差小于30%；短距離范圍內，應變高傳遞復合分布傳感光纖與FTB2505解調儀測試結果線性相對于OSI-S測試結果較差，在500 με范圍內，兩種解調儀測試數值的測試誤差小于10%。

3)分布式光纖與FBG的測試結果均呈現較好的線性，在受壓區域，分布式光纖測試值高于FBG測試值，在受拉區，分布式光纖測試值低于FBG測試值。測試數據通過進一步布設工藝標定后可滿足鋼結構應變監測需求。