光纖光柵傳感器對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索的受力監(jiān)測(cè)

覃荷瑛， 姜致豪*， 周文龍

(1.桂林理工大學(xué)廣西壯族自治區(qū)智慧結(jié)構(gòu)材料工程研究中心， 桂林 541004； 2.桂林理工大學(xué)廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 桂林 541004)

預(yù)應(yīng)力錨索廣泛應(yīng)用于邊坡、工業(yè)與民用建筑的基礎(chǔ)工程中，由于錨索處于地下隱蔽工程，其生存環(huán)境惡劣、受力復(fù)雜、施工難度大，導(dǎo)致其質(zhì)量難以控制，所以錨索的受力監(jiān)測(cè)至關(guān)重要；但是錨索內(nèi)傳感器生存空間相當(dāng)狹小，傳統(tǒng)傳感器難以獲得其內(nèi)部的受力狀態(tài)與應(yīng)力分布或存在其他監(jiān)測(cè)問(wèn)題[1-3]。當(dāng)下常用的監(jiān)測(cè)手段有：測(cè)力環(huán)法[4]、磁通量法[5]、應(yīng)變儀法[6]等。測(cè)力環(huán)只能安裝在預(yù)應(yīng)力錨索的錨頭位置，不能監(jiān)測(cè)錨索內(nèi)部應(yīng)力分布的情況，且存在受壓偏心、讀數(shù)誤差較大的問(wèn)題。磁通量法主要通過(guò)磁導(dǎo)率的變化來(lái)反應(yīng)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)；但其存在容易受外界磁場(chǎng)影響、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況要求較高，內(nèi)部線圈互相干擾、測(cè)量精度較低，且磁化時(shí)響應(yīng)速度較慢導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)滯后等問(wèn)題。電阻應(yīng)變儀發(fā)展較成熟，但在潮濕、溫差較大的環(huán)境中極不穩(wěn)定且耐久性較差，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)全生命周期的監(jiān)測(cè)。

目前國(guó)內(nèi)主要采用平均錨固損失來(lái)確定拉拔阻力及錨固長(zhǎng)度，但大量研究表明，錨索在錨固體內(nèi)受力傳遞是不均勻的[7]。針對(duì)錨索的受力，諸多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究：Feng等[8]基于布里淵光時(shí)域分析技術(shù)提出網(wǎng)絡(luò)測(cè)量理論監(jiān)測(cè)巖土錨桿受力，通過(guò)比較預(yù)置位移，對(duì)實(shí)測(cè)應(yīng)變進(jìn)行了分析和檢驗(yàn)，驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)測(cè)量理論的可行性；但是布里淵光纖僅嵌在錨桿表面，易受施工環(huán)境和自然環(huán)境影響，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。隨家馨等[9]基于Hoek-Brown準(zhǔn)則的點(diǎn)安全系數(shù)法，對(duì)錨索受力及錨固長(zhǎng)度的優(yōu)化進(jìn)行了研究，以均質(zhì)邊坡為例，確定了最佳的錨固段長(zhǎng)度；但是計(jì)算過(guò)程是將靠近臨空面點(diǎn)安全系數(shù)小于1的等值線視為潛在滑動(dòng)面，以此來(lái)確定錨固段長(zhǎng)度，得到的試驗(yàn)結(jié)果并不完全可靠。孫彥鵬等[10]針對(duì)錨索中間部位(內(nèi)部)應(yīng)力監(jiān)測(cè)難題，研發(fā)了一種新型預(yù)應(yīng)力錨索中間部位應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)，并建立了監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)變與錨索應(yīng)力之間的轉(zhuǎn)換公式，采用轉(zhuǎn)換公式測(cè)定錨索應(yīng)力誤差小于2%，為錨索中間部位應(yīng)力監(jiān)測(cè)提供了有效的技術(shù)手段；但該方法僅適用于錨索中間部位應(yīng)力監(jiān)測(cè)且改變了錨索的結(jié)構(gòu)。

近年來(lái)，F(xiàn)BG傳感器憑借體積小、信號(hào)傳輸穩(wěn)定、傳輸距離長(zhǎng)、不受磁場(chǎng)影響等優(yōu)點(diǎn)[11-14]在錨索受力監(jiān)測(cè)領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。針對(duì)以上監(jiān)測(cè)手段存在的監(jiān)測(cè)范圍有限、易受磁場(chǎng)影響、傳感器存活率低、改變了錨索結(jié)構(gòu)等問(wèn)題，現(xiàn)基于光纖光柵基本原理提出將準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵(FBG)內(nèi)嵌至錨索材料-鋼絞線中心絲的技術(shù)[15-16]對(duì)錨索內(nèi)部受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。保證FBG傳感器在錨索施工張拉過(guò)程中的存活率；在不改變錨固體結(jié)構(gòu)的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)錨索內(nèi)部受力狀態(tài)及應(yīng)力分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；為錨索澆筑長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)與張拉應(yīng)力的補(bǔ)充提供計(jì)算依據(jù)。

1 澆筑長(zhǎng)度設(shè)計(jì)及傳感器監(jiān)測(cè)原理

1.1 預(yù)應(yīng)力錨索澆筑長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

充分考慮錨索的特性、錨索與錨固結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性以及施工可行性；根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)[17]，假定錨固段剪應(yīng)力均勻分布，采用平均黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算澆筑長(zhǎng)度。

錨桿(索)桿體與錨固砂漿間的澆筑長(zhǎng)度應(yīng)滿足：

(1)

式(1)中：la為錨筋與砂漿間的澆筑長(zhǎng)度，m；d為錨筋直徑，m；n為桿體(鋼筋、鋼絞線)根數(shù)；fb為鋼筋與錨固砂漿間的黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa，取3.4；K為錨桿錨固體抗拔安全系數(shù)，取2.0；Nak為設(shè)計(jì)拉拔力，即195 kN。

1.2 內(nèi)嵌式FBG傳感器監(jiān)測(cè)原理

根據(jù)耦合模理論，F(xiàn)BG的特征方程為

λ=2neffΛ

(2)

式(2)中：neff為纖芯的有效折射率；Λ為光柵周期。

外界因素引起光柵折射率neff與周期Λ的變化，進(jìn)而引起中心波長(zhǎng)λ的變化；其他物理量保持不變，光柵中心波長(zhǎng)漂移量Δλ與應(yīng)變之間的關(guān)系式為

Δλ=Kεεg

(3)

式(3)中:Δλ由傳感器測(cè)出；Kε為應(yīng)變靈敏度系數(shù)；εg為光纖光柵感知應(yīng)變。

(4)

式(4)中：E為鋼絞線彈性模量；A為鋼絞線公稱面積。

2 FBG自感知鋼絞線的設(shè)計(jì)與標(biāo)定

2.1 FBG自感知鋼絞線的設(shè)計(jì)

為解決光纖布拉格光柵(FBG)在鋼絞線中的存活率問(wèn)題，提出將準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵(FBG)內(nèi)嵌至錨索材料-鋼絞線中心絲的技術(shù)，具體操作為：①將鋼絞線邊絲打散，取出中心絲；②利用機(jī)械手段在中心絲上刻制軸向凹槽；③用膠黏劑將光纖光柵粘貼于凹槽內(nèi)；④將封裝好的中心絲與邊絲重新扭轉(zhuǎn)成形；⑤在鋼絞線端部引出光纖光柵并進(jìn)行封裝保護(hù)。FBG自感知鋼絞線結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示。

2.2 FBG自感知鋼絞線光柵測(cè)點(diǎn)的布設(shè)方案

FBG自感知鋼絞線為1×7標(biāo)準(zhǔn)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，共4根，每根長(zhǎng)7～13 m，編號(hào)分別為A、B、C、D，每根鋼絞線上各布設(shè)3～5個(gè)光柵測(cè)點(diǎn)，分別命名為P1、P2、P3、P4、P5，為避免波長(zhǎng)信號(hào)重合，同一錨索上各光柵點(diǎn)初始波長(zhǎng)均不相同，光柵測(cè)點(diǎn)的布設(shè)如圖3所示，F(xiàn)BG自感知鋼絞線光柵測(cè)點(diǎn)的布設(shè)方案如表1所示。

圖1 FBG自感知鋼絞線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of FBG self sensing steel strand

圖2 FBG自感知鋼絞線實(shí)物圖Fig.2 Physical drawing of FBG self sensing steel strand

填充部分為錨固段，A組全長(zhǎng)澆筑，錨固長(zhǎng)度為3 m；B、C、D組非全長(zhǎng)澆筑，錨固長(zhǎng)度分別為1、3、6 m圖3 光柵測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of grating measuring points

表1 FBG自感知鋼絞線光柵測(cè)點(diǎn)的布設(shè)方案Table 1 Layout scheme of FBG self sensing steel strand grating measuring points

2.3 傳感器的標(biāo)定

為初步驗(yàn)證傳感器的穩(wěn)定性、應(yīng)變靈敏度，確定應(yīng)變靈敏度系數(shù)Kε，澆筑前采用分級(jí)張拉對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定：①10～78 kN，以26 kN/級(jí)進(jìn)行張拉；②78～195 kN，以13 kN/級(jí)進(jìn)行張拉；③每級(jí)張拉結(jié)束后靜置5 min，待波長(zhǎng)穩(wěn)定后，采集數(shù)據(jù)；④每組傳感器重復(fù)以上步驟標(biāo)定3次。

對(duì)A、B、C、D組傳感器的荷載、波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到4組傳感器荷載-波長(zhǎng)擬合圖如圖4所示。

如圖4所示：4組傳感器各光柵點(diǎn)的荷載-波長(zhǎng)直線都有良好的線性關(guān)系，同一光柵點(diǎn)3次張拉擬合形成的直線接近重合，且未出現(xiàn)波長(zhǎng)數(shù)據(jù)突變的現(xiàn)象，說(shuō)明傳感器在工作區(qū)間內(nèi)具有良好的線性度和重復(fù)性；4組傳感器各光柵點(diǎn)的荷載-波長(zhǎng)擬合直線斜率基本一致，說(shuō)明傳感器與錨索中心絲耦合穩(wěn)定，能與錨索同步變形，對(duì)錨索進(jìn)行受力監(jiān)測(cè)；對(duì)照4組傳感器荷載-波長(zhǎng)擬合圖可以看出，增減光柵監(jiān)測(cè)點(diǎn)并不影響傳感器的線性度，進(jìn)一步驗(yàn)證了該傳感器良好的穩(wěn)定性；4組錨索傳感器在第1次張拉標(biāo)定時(shí)中心波長(zhǎng)漂移量與后兩次相差較大，這是因?yàn)閭鞲衅骶哂幸欢ǖ臍堄鄳?yīng)變，通過(guò)2～3次反復(fù)標(biāo)定后基本達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。

對(duì)4組傳感器3次張拉標(biāo)定的應(yīng)變-波長(zhǎng)平均值進(jìn)行擬合、匯總?cè)绫?所示。

由表2標(biāo)定結(jié)果表明，4組自感知鋼絞線的應(yīng)變靈敏度集中在0.001 2，光纖光柵擬合度皆超過(guò)0.999，且未出現(xiàn)波長(zhǎng)漂移異常、基體感知遲滯的現(xiàn)象；說(shuō)明該傳感器靈敏度高、穩(wěn)定性好，利用該傳感器對(duì)拉拔試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是可行的。

表2 4組內(nèi)嵌式FBG傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)Table 2 Calibration data of 4 groups of embedded FBG sensors

3 預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)方案

3.1 鋼管-錨索的澆筑方案

為驗(yàn)證自感知鋼絞線的監(jiān)測(cè)性能，根據(jù)式(1)計(jì)算出拉力達(dá)到195 kN時(shí)，所需的安全澆筑長(zhǎng)度為2.5 m。結(jié)合該理論值，設(shè)計(jì)了A、B、C、D組拉拔試驗(yàn)。制作4組鋼管錨孔模型，模型由兩根對(duì)稱鋼管與1根灌漿鋼管組成，等間距設(shè)置鋼板進(jìn)行焊接、加固，灌漿鋼管等間距設(shè)置小孔排氣。每組試驗(yàn)布設(shè)一根上述自感知鋼絞線，鋼絞線等間距設(shè)置對(duì)中支架；水泥強(qiáng)度為42.5 MPa，按水灰比0.5配置水泥砂漿灌注；其中A組通體澆筑形成全長(zhǎng)黏結(jié)型，B、C、D組利用套置PVC管法形成非全長(zhǎng)黏結(jié)型。灌注完成后養(yǎng)護(hù)28 d，待強(qiáng)度達(dá)到要求后，采用室內(nèi)試驗(yàn)的形式，進(jìn)行加載監(jiān)測(cè)。鋼管錨索實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 鋼管錨索實(shí)物圖Fig.5 Physical drawing of steel pipe anchor cable

本試驗(yàn)所需其他設(shè)備：FBG解調(diào)儀；智能張拉油泵；穿心式千斤頂；壓力傳感器；張拉臺(tái)座。

3.2 錨索軸力監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

對(duì)錨索進(jìn)行張拉，加載方案如下：①4組錨索均采用分級(jí)張拉；A、C、D組錨索分12級(jí)加載，前3級(jí)為26 kN/級(jí)，后9級(jí)為13 kN/級(jí)；B組均為13 kN/級(jí)；②每級(jí)荷載加載完成后持荷靜置5 min，記錄對(duì)應(yīng)的光柵解調(diào)儀讀數(shù)、觀察錨索模型的受力破壞情況，再進(jìn)行下一級(jí)加載；③加載至195 kN時(shí)，可能出現(xiàn)破壞，為準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到錨索的受力變化規(guī)律，在加載值到達(dá)100 kN后降低油泵的加載速率。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)張拉如圖6所示。

A、C、D組加載至設(shè)計(jì)值195 kN，終止加載，錨索未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象；B組加載至78 kN時(shí)，錨索與注漿體之間產(chǎn)生滑移，F(xiàn)BG中心波長(zhǎng)回到初始值，錨固段失效，終止加載。加載結(jié)束后，匯總光柵點(diǎn)波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)表3中的應(yīng)變靈敏度Kε以及式(4)計(jì)算出錨索監(jiān)測(cè)點(diǎn)受力值。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)張拉圖Fig.6 Tension diagram of test site

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 不同荷載下錨索軸力分布規(guī)律

大量試驗(yàn)和理論分析都表明：錨索軸力分布并非均勻，而是由錨固頂端至錨固底部呈遞減趨勢(shì)分布；因數(shù)據(jù)較多，本文研究中僅以A組試驗(yàn)為例：對(duì)A組不同加載值下錨索監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合如圖7所示。

圖7 不同加載值下錨索監(jiān)測(cè)點(diǎn)受力傳遞變化圖Fig.7 Variation of stress transmission at anchor cable monitoring points under different loading values

由圖7可知：鋼絞線在注漿體內(nèi)的軸力傳遞是不均勻的，靠近錨固初始端錨索所承受的軸力最大，隨著澆筑深度的增加，軸力越來(lái)越小，直至消失，符合“半單峰”分布規(guī)律；小于91 kN時(shí)，錨固長(zhǎng)度不到1.5 m；大于91 kN時(shí)，隨張拉荷載的增加，錨索的有效錨固長(zhǎng)度逐漸增加。

4.2 錨固段受力傳遞分析

將A、C、D組錨索錨固段監(jiān)測(cè)點(diǎn)受力值匯總?cè)绫?所示；B組錨索錨固段監(jiān)測(cè)點(diǎn)受力值匯總?cè)绫?所示；以加載值為橫坐標(biāo)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)受力值為縱坐標(biāo)，對(duì)4組錨索錨固段監(jiān)測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合如圖8所示。

由表3、表4和圖8可知：加載值達(dá)到91 kN時(shí)，A組2號(hào)光柵點(diǎn)監(jiān)測(cè)到力值變化，說(shuō)明此時(shí)需要的錨固長(zhǎng)度不小于1.5 m；力值達(dá)到195 kN時(shí)，A組3號(hào)光柵點(diǎn)始終沒(méi)有監(jiān)測(cè)到受力變化，說(shuō)明2.5 m錨固長(zhǎng)度是足夠的；以上監(jiān)測(cè)結(jié)果滿足理論公式(1)對(duì)澆筑長(zhǎng)度的要求；對(duì)比《建筑邊坡技術(shù)規(guī)范》，該傳感器可以得到更加精確的安全澆筑長(zhǎng)度，更加符合施工要求的經(jīng)濟(jì)性、安全性。B、C、D組在荷載達(dá)到一定值后，相鄰光柵點(diǎn)之間擬合曲線幾乎保持平行，說(shuō)明兩光柵點(diǎn)之間軸力的損失相同。由B組可知，錨固段失效時(shí)，光纖光柵中心波長(zhǎng)將不再變化，利用該傳感器可以有效監(jiān)測(cè)到錨索的失效情況。對(duì)比A、C兩組，通過(guò)套置PVC管形成不同長(zhǎng)度的自由段對(duì)錨固段的受力傳遞規(guī)律基本沒(méi)有影響。對(duì)比B、C、D組可得，不同澆筑長(zhǎng)度的錨索的受力都是由初始端向內(nèi)部逐漸傳遞。

表4 B組錨索錨固段測(cè)點(diǎn)受力值Table 4 Stress values of measuring points in anchorage section of group B anchor cable

圖8 錨索錨固段測(cè)點(diǎn)受力變化圖Fig.8 Stress variation diagram of measuring point in anchorage section of anchor cable

表3 A、C、D組錨索錨固段測(cè)點(diǎn)受力值Table 3 Stress values of measuring points in anchorage section of group A， C and D anchor cables

4.3 自由段受力傳遞分析

B、C、D組為非全長(zhǎng)黏結(jié)型錨索，將B組錨索自由段監(jiān)測(cè)點(diǎn)受力值匯總?cè)绫?所示，C、D兩組錨索自由段監(jiān)測(cè)點(diǎn)受力值匯總?cè)绫?所示；以加載值為橫坐標(biāo)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)受力值為縱坐標(biāo)，對(duì)3組錨索自由段內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合如圖9所示。

由表5、表6和圖9可知：錨固段內(nèi)，隨深度增加錨索軸力越小，而自由段內(nèi)的錨索軸力傳遞較均勻；隨張拉荷載的增加，光柵點(diǎn)之間的距離也逐漸增大，說(shuō)明隨張拉荷載的不斷增加，自由段內(nèi)的損失也隨之增加；自由段的長(zhǎng)度越大，荷載在傳遞過(guò)程中的損失也越大。

表5 B組錨索自由段監(jiān)測(cè)點(diǎn)受力值Table 5 Stress values of monitoring points at free section of group B anchor cable

表6 C、D兩組錨索自由段監(jiān)測(cè)點(diǎn)受力值Table 6 Stress values of monitoring points at free section of anchor cable of groups C and D

圖9 錨索自由段監(jiān)測(cè)點(diǎn)受力變化圖Fig.9 Stress variation of monitoring points in free section of anchor cable

5 結(jié)論

將FBG自感知鋼絞線材料澆筑于鋼管內(nèi)作為錨索模型，進(jìn)行室內(nèi)拉拔試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

(1)對(duì)比《建筑邊坡技術(shù)規(guī)范》，該內(nèi)嵌式FBG傳感器可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到錨索內(nèi)部的有效錨固長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)錨索的定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，為實(shí)際工程提供更加經(jīng)濟(jì)、可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

(2)錨索自由段內(nèi)的軸力傳遞較為均勻，隨張拉荷載與自由段長(zhǎng)度的增加，軸力損失也會(huì)逐漸增加。

(3)錨固段錨索軸力傳遞是不均勻的，錨固段前端承受的軸力大于后端，軸力分布呈現(xiàn)“半單峰”形式。

(4)錨固段內(nèi)，隨張拉荷載的增加，其有效錨固深度逐漸向錨索內(nèi)部傳遞。

(5)在實(shí)際工程中，利用該傳感器可以監(jiān)測(cè)到應(yīng)力損失量，及時(shí)補(bǔ)充張拉應(yīng)力，使錨固體系更加安全可靠。