摘　要: 利用光纖Bragg 光柵( FBG) 傳感器與電阻應變片同時監(jiān)測,完成了鋼- 混凝土組合橋面板模型混凝土頂裂縫損傷檢測。模型試驗經(jīng)歷了靜載、疲勞(300 萬次) 和破壞3 個階段。測試結(jié)果表明無縱向承載裂縫出現(xiàn)時,FBG傳感器測得相應位置的應變值。在破壞階段,傳感器布控區(qū)域相繼出現(xiàn)裂縫損傷。利用FBG傳感器測得了經(jīng)歷300 萬次疲勞循環(huán)后鋼- 混凝土組合橋面板模型混凝土頂發(fā)生裂縫損傷的臨界應變值并追蹤裂縫損傷的發(fā)展。與傳統(tǒng)電測方式相比,FBG傳感器顯示了靈敏度高、精度高、測試范圍大等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞:橋面板;組合結(jié)構(gòu);裂縫;光纖傳感器;橋梁檢測

中圖分類號: U443. 32 ; TP212. 9 文獻標識碼:A 文章編號:1671 - 7767 (2006) 04 - 0060 - 04

　　鋼- 混凝土組合橋面板結(jié)構(gòu)可顯著減輕大跨橋梁的自重,從而得到較為廣泛的應用。作為一種組合結(jié)構(gòu),鋼和混凝土的整體性直接影響大橋結(jié)構(gòu)的耐久性和行車的舒適性。為了工程安全,需要研究和監(jiān)控組合橋面板的承載力和耐久性,準確地檢測混凝土頂裂縫損傷的發(fā)生部位、量值大小和發(fā)展過程。為此采用模型試驗方法,研究在疲勞荷載作用下混凝土的抗疲勞開裂特性。

　　對大型結(jié)構(gòu)裂縫損傷發(fā)生發(fā)展全過程的準確檢測,技術(shù)難度較高,目前尚無可靠有效的方法。在模型試驗中,一般采用電阻應變片測試加上目視檢測等手段,只能粗略地估測裂縫損傷的出現(xiàn)。大型結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測需要更精確的、智能化的傳感元件。目前,國內(nèi)外結(jié)構(gòu)健康檢測已開始采用具有一線制、分布式、高精度、微型化等優(yōu)點的光纖傳感器[1～4 ] 作為傳感元件進行測試。其中光纖Bragg 光柵( FB G) 傳感器能將外部的應變或溫度的改變轉(zhuǎn)化為反射光波長的變化,成為目前為止,最有希望用于大型結(jié)構(gòu)長期健康檢測的傳感器件。

　　以FBG為靈敏元件的光纖光柵裂縫傳感器[5 ] ,在實際工作中,一般會經(jīng)歷兩個階段:

　　(1) 彈性階段。當荷載不太大時,工程材料處于彈性階段,無損壞,這時傳感器測到的是埋設(shè)點處的應變值(損壞發(fā)生前) 。

　　(2) 損傷階段。當損傷(如裂縫) 發(fā)生后,傳感器測到的是損傷值,如縫寬等(埋設(shè)點處材料的彈性應變已釋放) 。

　　由于FBG裂縫傳感器布控范圍較大,在彈性階段,其所測得的應變值應為該區(qū)域的平均應變;在損傷階段,其所測得的值應為該區(qū)域出現(xiàn)裂縫的總縫寬。本次試驗成功地利用FBG 傳感器測出彈性階段的應變值,與傳統(tǒng)電測應變片測值一致;測出彈性及損傷兩階段的臨界點,并追蹤損傷階段裂縫的發(fā)展,測試結(jié)果與目視檢測相一致,完成了鋼- 混凝土組合橋面板模型混凝土頂裂縫損傷全過程的檢測。

1 　鋼- 混凝土組合橋面板模型

　　鋼- 混凝土組合橋面板試驗模型為一長方形鋼- 混凝土組合板,平面尺寸為2 400 mm ×5 000mm ,底部鋼板厚8 mm ,兩翼混凝土厚120 mm ,中部混凝土厚200 mm ,采用C40 鋼纖維混凝土,鋼纖維用量為100 kg/ m3 ,摻量1. 28 % ,支撐于工字鋼梁上,承受負彎矩,如圖1 所示。光纖Bragg 光柵裂縫傳感器的安裝于混凝土澆筑完成后、試驗開始前夕進行,利用預埋角鋼緊固在模型表面。根據(jù)強度理論,不難得出模型試驗混凝土裂縫的始發(fā)部位出現(xiàn)在由負彎矩誘發(fā)的組合橋面板的高拉應力區(qū)。所以在相應部位布置了4 個FB G傳感器和7 組應變片,如圖2 所示。FBG 裂縫傳感器布控范圍450～480mm。

　　采用Inst ron24302 數(shù)字式拉伸試驗機(美In2st ron Co. ) 對光纖Bragg 光柵裂縫傳感器進行了檢驗[6 ] 。結(jié)果表明:傳感器線性度好,成品質(zhì)量合格。

2 　模型測試

　　模型試驗經(jīng)歷了3 個階段:靜載試驗階段、疲勞試驗階段和破壞試驗階段。試驗過程中注意到充分發(fā)揮光纖傳感高靈敏度的優(yōu)勢,一旦在測試中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常,都立即報出,以便及時觀察模型的物理現(xiàn)象,與其它測試手段彼此印證。

2. 1 　靜載和疲勞測試階段

　　靜載試驗階段分為11 個加載步,從0 kN 加載到最大83. 66 kN ,加載穩(wěn)定時采集數(shù)據(jù),共進行了3個循環(huán)。疲勞試驗階段施加等振幅諧波動荷載,各于振動循環(huán)1 萬、5 萬、25 萬、50 萬、100 萬、150 萬、200 萬、210 萬、255 萬和300 萬次后,再逐級(按前述靜載階段) 施加荷載進行數(shù)據(jù)采集。其中疲勞300 萬次加靜載到83. 66 kN 后,未卸載,繼續(xù)加載做破壞試驗。圖3 (a) 為靜載第2 次循環(huán)荷載63. 52kN 時,分別用FBG(短實線) 和應變片(虛線) 測得的混凝土頂橫向應變分布曲線。由于FBG 傳感器L1 、L2 布控位置很接近,取其平均值作為該區(qū)域測值。圖3 (b) 為靜載第3 次循環(huán)FBG裂縫傳感器L4

　　與對應位置的5 號應變片測得的應變- 荷載關(guān)系曲線。比較圖3 可以看出:兩種方法測得的模型應變分布規(guī)律一致,數(shù)值上也相當吻合。說明利用FBG傳感器進行應力、應變測試是完全可行的。而且FB G傳感器測得的平均值較應變片測得的局部點的值更為準確、客觀。在靜載和疲勞循環(huán)階段,由于荷載較小,傳感器測值也變化不大,通過肉眼觀測未在傳感器布控區(qū)域發(fā)現(xiàn)縱向承載裂縫。

2. 2 　破壞測試階段

　　在破壞階段,由于MTS 結(jié)構(gòu)試驗伺服系統(tǒng)的最大噸位不能滿足將模型加載到極限破壞的要求,所以用MTS 結(jié)構(gòu)試驗伺服系統(tǒng)加載到844 kN 后(破壞前期) ,改用普通千斤頂做破壞加載試驗(破壞后期) 。利用FBG 傳感器測出的混凝土頂應變(縫寬) - 荷載關(guān)系曲線如圖4 所示。

　　由于L1 、L4 各位于跨中面板的左右對稱兩側(cè),L2 布設(shè)位置與L1 很接近,三者均處于由負彎矩誘

發(fā)的高拉應力區(qū)。圖4 的測試結(jié)果很好地反映了這種對稱性,其測值遠高于布控于跨中部位的L3 的測值。L1 、L2 、L4 的測值隨荷載增長的變化曲線在120 kN 附近出現(xiàn)了拐點,此時L4 讀數(shù)以應變表示為87με。當即目視檢查混凝土表面,在FB G 裂縫傳感器L4 布控區(qū)域未發(fā)現(xiàn)縱向承載裂縫。荷載135 kN 時,FB G傳感器測值繼續(xù)明顯增大,L4 讀數(shù)以應變表示為115. 6 με,相應位置的千分表讀數(shù)反應明顯,目視仍未發(fā)現(xiàn)縱向承載裂縫。至150 kN時,目視發(fā)現(xiàn)L1 、L2 、L4 傳感器下方均已有連通的縱向裂縫,如圖5 所示。L3 傳感器布控部位在加載到300 kN 荷載之前,其測值非常小,只有幾個到十幾個微應變,但在加載到340 kN 荷載時,其值猛增到249με,其后保持此增長趨勢直至破壞完成。說明300 kN 后,L3 布控部位已經(jīng)開裂,此后隨著荷載的增加,裂縫不斷發(fā)展,直至達成破壞。

　　在破壞階段,隨著荷載的增加,應變片不斷損壞,只有位于跨中部位的FBG 傳感器L3 對應的4號應變片存活期稍長。L3 布控區(qū)域出現(xiàn)裂縫損傷之后(荷載> 340 kN) ,4 號應變片及其對應位置的FBG傳感器L3 測值的比較如圖6 所示。由于L3傳感器布控部位已經(jīng)開始有裂縫損傷出現(xiàn),其測得值應為裂縫寬度,在圖6 中應按右縱坐標讀數(shù),應變片測值按左縱坐標讀應變值。

　　從圖6 可以看出,若將FBG傳感器測值以應變表示,在裂縫出現(xiàn)初期,應變片測值較FBG 傳感器大,但隨著荷載的增加,應變片測值增長較緩,而FB G傳感器測值增長較快。這與理論分析和現(xiàn)場觀察相吻合。因為每個FBG 裂縫傳感器布控區(qū)域長達450～480 mm ,在裂縫損傷出現(xiàn)前, FBG 傳感器L3 測得該區(qū)域的平均應變,較布控于結(jié)構(gòu)跨中部位、感受最大拉應變的4 號應變片測值小。隨著荷載的增加,裂縫擴展,使應變不斷被釋放,而應變的釋放并不影響FB G 裂縫傳感器測值(裂縫出現(xiàn)后,FB G 測裂縫寬度) ,使得應變片測值較FB G 傳感器測值增長緩慢。

　　破壞后期,隨著荷載的增大, FBG 傳感器仍保持正常工作直至結(jié)構(gòu)達成破壞。試驗過程中, FBG傳感器測得的值比用千分表直接測量裂縫寬度得到的值要大。其原因應為: FBG 傳感器測得的是布控區(qū)域總的裂縫寬度,包括微裂縫,而千分表測量的只是主要的幾條大裂縫的寬度,而不包括微裂縫。

3 　結(jié)　論

　　本項工作首次將光纖光柵傳感技術(shù)和電測應變片同時用于完成鋼- 混凝土組合橋面板模型試驗從靜載到疲勞再到破壞的裂縫損傷全過程監(jiān)測。在靜載與疲勞試驗階段中,FBG傳感系統(tǒng)檢測到各級加載產(chǎn)生的應變值,其空間分布狀態(tài)和變化過程與電測應變片測試結(jié)果吻合,結(jié)果說明直至疲勞試驗結(jié)束模型處在彈性階段,在裂縫傳感器布控部位未出現(xiàn)承載縱向裂縫。在破壞階段, FBG 傳感系統(tǒng)測得混凝土頂裂縫損傷發(fā)生發(fā)展的全過程,測值演變規(guī)律性良好,符合一般經(jīng)驗和力學原理,并與目視檢測等宏觀現(xiàn)象相互呼應,驗證了光纖光柵傳感器應用于結(jié)構(gòu)健康檢測的可行性和先進性。在測試過程中,光纖傳感系統(tǒng)十分靈敏,存活率高,經(jīng)受住了300 萬次疲勞循環(huán)測試及破壞測試。測試數(shù)據(jù)顯示光纖光柵傳感系統(tǒng)能夠及早測報結(jié)構(gòu)損傷的早期信號并追蹤其發(fā)生發(fā)展的全過程及其空間分布狀態(tài)。本項工作為橋面板組合結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化提供了可靠有效的信息依據(jù)。

參　考　文　獻:

[1] 楊　勇,趙鴻鐵,薛建陽. 型鋼混凝土粘結(jié)滑移性能實驗分析[J ] . 西安建筑科技大學學報,2002 , 34 (3) :205 -209.

[2] 姜德生,何　偉. 光纖光柵傳感器的應用概況[J ] . 光電子·激光,2002 ,13 (4) :420 - 430.

[3] Denarie E , Saouma V E , Iocco A. Concrete f ractureprocess zone characterization with fiber optics[J ] . Jour2nal of Engineering Mechanics , 2001 ,127 (5) :494 - 502.

[4] Swee C T , Jianzhong Hao , Yu2zhi Lam. A pressureSensor Using Fiber Bragg Grating [J] . Fiber and Inte2grated Optics , 2001 ,20 (1) :59 - 69.

[5] 李豐麗,鐘金鋼,張永林. 雙FBG位移測量系統(tǒng)[J ] . 傳感器技術(shù),2003 , (10) :60 - 64.

[6] 孫　曼, 植　涌, 劉浩吾. 組合結(jié)構(gòu)界面滑移變形全過程的光纖光柵傳感檢測[J ] . 四川大學學報,2005 , 37(6) :42 - 45.