王 麒,毛江鴻*,陳佳蕓,許斌鋒,陸 飛,俞凱奇

(1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院,浙江 寧波 315100;2.浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所,杭州 310058;3.浙江省工程勘察院,浙江 寧波 315040)

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基于BOTDA的鋼結(jié)構(gòu)全尺度應(yīng)變監(jiān)測方法及其試驗研究*

王 麒1,毛江鴻1*,陳佳蕓2,許斌鋒3,陸 飛1,俞凱奇1

(1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院,浙江 寧波 315100;2.浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所,杭州 310058;3.浙江省工程勘察院,浙江 寧波 315040)

大型鋼結(jié)構(gòu)因為超載或者腐蝕等問題引起的結(jié)構(gòu)失效越來越多,對大型鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行全尺度監(jiān)測是評估結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命和做出維修決策的關(guān)鍵。分布式光纖傳感技術(shù)具備分布式、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點,適用于鋼結(jié)構(gòu)的全尺度監(jiān)測。設(shè)計了傳感光纖的全面和局部布設(shè)方法,對上述方法進(jìn)行了標(biāo)定、重復(fù)性等試驗,并將其應(yīng)用于鋼桁架的全尺度應(yīng)變監(jiān)測中。結(jié)果表明,分布式光纖傳感技術(shù)可有效獲取鋼結(jié)構(gòu)全尺度應(yīng)變,同時,提出的基于電磁鐵方式具備快速、可拆卸等優(yōu)點。本文研究成果可用以集成大型鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的全壽命健康狀態(tài)評估。

鋼結(jié)構(gòu);應(yīng)變;分布式光纖傳感技術(shù);健康監(jiān)測

鋼結(jié)構(gòu)由于鋼材具有強(qiáng)度高,質(zhì)量輕,塑性和韌性好,安裝方便、施工期短等優(yōu)點,同時還是理想的彈性材料,故鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍越來越廣。房屋建筑方面,鋼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于大跨公共建筑中,如國家鳥巢體育場、國家水立方游泳中心等;橋梁工程方面,鋼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用大跨橋梁中,如鄭州鐵路橋、武漢長江大橋等。鋼結(jié)構(gòu)橋梁雖然具有良好工作性能,但鋼結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的連接及維護(hù)較為復(fù)雜,影響結(jié)構(gòu)安全的因素也較多。鋼結(jié)構(gòu)病害主要體現(xiàn)在原材料不合格、連接可靠度不足、鋼材腐蝕等方面[1],以及力學(xué)狀態(tài)的改變,如屋面雪荷載過大引起鋼結(jié)構(gòu)屋面承載力超過設(shè)計值[2],地基不均勻沉降引起上部結(jié)構(gòu)損壞[3],火災(zāi)后鋼材強(qiáng)度變化[4]等。因此,鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測對于預(yù)防鋼結(jié)構(gòu)的病害必不可少。

結(jié)構(gòu)應(yīng)變的傳統(tǒng)監(jiān)測傳統(tǒng)方法主要有應(yīng)變片法和振弦式應(yīng)變傳感器。然而,由于重大工程因其結(jié)構(gòu)體積大、監(jiān)測元件使用量多并且受電磁干擾影響大,在系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性方面存在不足[5]。光纖傳感技術(shù)相比傳統(tǒng)技術(shù)具備可植入性強(qiáng),抗電磁干擾,耐久性好等優(yōu)點,使用較為廣泛的光纖類傳感器為布拉格光纖光柵傳感器(FBG),已在橋梁,隧道,邊坡進(jìn)行了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測[6]與煤礦火災(zāi)監(jiān)測應(yīng)用[7]。分布式光纖傳感器(BOTDA)相比FBG傳感器具備長距離、分布式等優(yōu)勢,特別適用于大型結(jié)構(gòu)監(jiān)測,如瑞士Smartech公司在瑞士Geneva湖床、Luzzone大壩、Pizzante污水站、德國柏林鹽水管道等進(jìn)行了分布式應(yīng)變或溫度監(jiān)測,取得較好效果[8-10]。將分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測的報道較少,侯華東利用BOTDA進(jìn)行了大跨度城市鋼箱梁高架橋進(jìn)行過應(yīng)變監(jiān)測[11],取得了較好的監(jiān)測結(jié)果,同時也指出分布式傳感光纖的安裝問題需要重點考慮。

本文提出了傳感光纖的分布式和點式布設(shè)方式,提高了光纖傳感布置和拆卸效率,使得分布式光纖傳感技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測應(yīng)用中更為便捷。同時,本文對點式光纖傳感器進(jìn)行了定位試驗、重復(fù)性試驗和標(biāo)定試驗,并在鋼桁架靜載試驗中進(jìn)行了有效性驗證。

1 基于BOTDA的鋼結(jié)構(gòu)全尺度應(yīng)變監(jiān)測方法

1.1 BOTDA監(jiān)測原理

基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)利用光纖應(yīng)力和溫度變化引起布里淵散射光中心頻移改變這一特性,實現(xiàn)長距離光纖的應(yīng)變和溫度監(jiān)測,光纖的布里淵頻移量與光纖應(yīng)變溫度之間存在線性關(guān)系,其關(guān)系如式(1)所示[12]:

(1)

式中:vB(0)為初始應(yīng)變、初始溫度時布里淵頻率頻移量,vB(ε,T)為在應(yīng)變ε、溫度T時布里淵頻率漂移量,dvB/dT為溫度比例系數(shù),dvB/dε為應(yīng)變比例系數(shù),T-T0為光纖溫度差;ε為光纖應(yīng)變變化量,由式(1)可求得光纖軸向各點的應(yīng)變和溫度值。

分布式光纖應(yīng)變傳感技術(shù)可對結(jié)構(gòu)應(yīng)變進(jìn)行分布式監(jiān)測,但由于入射光存在脈沖寬度限制,使得該技術(shù)需考慮空間分辨率影響,采樣點的應(yīng)變數(shù)據(jù)實際上是一段光纖內(nèi)應(yīng)變的綜合反映[13]:

(2)

式中:dz為空間分辨率大小;W為入射脈沖光寬度,Vg為光波在光纖中沿軸向傳播的速度。

1.2 基于BOTDA的全局應(yīng)變監(jiān)測方法

分布式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行整體應(yīng)變監(jiān)測時,除了施工過程中可能存在的光損外,還需要關(guān)注結(jié)構(gòu)基體至纖芯的應(yīng)變傳遞率。分布式光纖傳感器結(jié)構(gòu)模型主要由包層、涂覆層、護(hù)套層等中間層組成[14]。由剪滯理論[15]可知,結(jié)構(gòu)應(yīng)變通過各中間層剪切作用傳遞至傳感光纖纖芯,部分應(yīng)變由于中間層彈性模量差異被損耗[16]。文獻(xiàn)[17]對分布式光纖的應(yīng)變傳遞率進(jìn)行了理論和試驗分析,認(rèn)為對于已建結(jié)構(gòu),采用環(huán)氧樹脂等柔性粘結(jié)劑具有良好的粘結(jié)性能,同時選擇外徑較大的傳感光纖可獲取較好的測試精度。因此,本文采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行光纖粘結(jié),光纖采用900μm緊套光纖,將其粘結(jié)在鋼結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行整體應(yīng)變監(jiān)測。

1.3 基于BOTDA的局部應(yīng)變監(jiān)測方法

鋼結(jié)構(gòu)存在一些局部區(qū)域無法進(jìn)行分布式監(jiān)測,如肋板加勁處等區(qū)域,且上述區(qū)域往往存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,存在較大安全隱患。考慮到光纖傳感不受電磁干擾的影響,本文提出了一種基于電磁鐵原理的局部光纖快速安裝方法。該方法具備光纖預(yù)拉力可控、可重復(fù)利用、拆卸便利等優(yōu)點,特別適用于鋼結(jié)構(gòu)局部應(yīng)變的短期監(jiān)測,同時實現(xiàn)了局部區(qū)域應(yīng)變的監(jiān)測,局部區(qū)域監(jiān)測傳感光纖的布設(shè)方式如圖1所示。

圖1 點式傳感器結(jié)構(gòu)圖

具體安裝過程如下:首先,把傳感光纖粘結(jié)與兩塊磁鐵上,粘結(jié)過程中,3段光纖長度需保持一致,且在兩個光纖傳感段之間設(shè)置長為2.0m的冗余段,以避免空間分辨率影響;其次,施加一定預(yù)應(yīng)力的情況下對電磁鐵通電,將點式傳感器固定于被測物體上后,采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行電磁鐵的固定。在安裝過程中,給一端的電磁鐵通上電,通過移動另一端的電磁鐵使得光纖拉長,產(chǎn)生ΔL的伸長量,ΔL/L即為預(yù)拉力產(chǎn)生的應(yīng)變值。因此,安裝過程中只需控制兩端電磁鐵的距離即可獲取設(shè)定的預(yù)拉應(yīng)力值。最后,環(huán)氧樹脂硬化后解除通電狀態(tài),以消除電磁鐵發(fā)熱引起的溫度影響。

2 基于BOTDA的鋼結(jié)構(gòu)全尺應(yīng)變監(jiān)測的性能研究

2.1 試驗設(shè)計

將具備分布式傳感特點的BOTDA技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)全尺度應(yīng)變監(jiān)測時,需要考察如下性能指標(biāo):

①空間點識別:BOTDA可進(jìn)行長距離測試,采樣點位置為距離儀器起點的長度,將光纖粘結(jié)于結(jié)構(gòu)表面時,需要知道光纖應(yīng)變變化處對應(yīng)的結(jié)構(gòu)位置。

②測試精度:BOTDA受限于空間分辨率,需要進(jìn)行標(biāo)定試驗,建立測試數(shù)據(jù)和實際應(yīng)變之間的對應(yīng)關(guān)系。

③測試穩(wěn)定性:結(jié)構(gòu)應(yīng)變是通過剪切作用傳遞至光纖纖芯,如果護(hù)套、包層及涂覆層之間出現(xiàn)滑移,則纖芯應(yīng)變將有所降低,影響數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

基于上述考慮,本文分別開展了定位試驗、標(biāo)定試驗和重復(fù)性試驗。將900μm緊套光纖固定于等強(qiáng)度梁上,傳感段光纖長度為15cm。同時,為了檢驗光纖護(hù)套層對測試應(yīng)變的影響,對比分析了900μm緊套光纖和250μm裸光纖的測試結(jié)果。在等強(qiáng)度梁上黏貼電阻式應(yīng)變片,讀取等強(qiáng)度梁的真實應(yīng)變值。光纖傳感器連接于DITESTSTA-R型BOTDA傳感器,設(shè)置0.5m空間分辨率,0.1m采樣點間隔。

圖2 性能研究試驗布置圖

通過在等強(qiáng)度梁末端放置砝碼實現(xiàn)加載,共分7級加載,前6級每級為5N,第6級為10N,首先研究光纖傳感器的壓應(yīng)變測試性能,獲取數(shù)據(jù)后,翻轉(zhuǎn)并固定等強(qiáng)度梁,以同樣的光纖布置方式研究其拉應(yīng)變測試性能。

2.2 空間位置識別

在實際鋼結(jié)構(gòu)工程監(jiān)測中,由于鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化較小,分布式光纖傳感器很難找到其監(jiān)測位置,因此也很難分析鋼結(jié)構(gòu)的受力變化,本文通過對分布式傳感光纖施加一定的預(yù)拉力來確定其監(jiān)測位置,結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知,如果對傳感光纖施加一定預(yù)拉力,可從布里淵頻率譜中找到3個明顯的峰值,分別表示3條傳感光纖受到一定預(yù)拉力時所表現(xiàn)出來的布里淵頻率的變化,從圖3可明顯識別傳感光纖段的采樣點。

2.3 標(biāo)定試驗

本文為了了解點式光纖傳感器的測試精確,在等強(qiáng)度梁上布設(shè)了900μm緊套光纖、250μm裸光纖及電阻式應(yīng)變片,并將計算得出等強(qiáng)度梁的應(yīng)變理論值與應(yīng)變片和點式光纖傳感器進(jìn)行對比分析,結(jié)果如表1所示。其中等強(qiáng)度梁的應(yīng)變理論值計算公式為:

(3)

等強(qiáng)度梁的參數(shù)為:長度=300mm,寬度b=50mm,厚度h=5mm,彈性模量E=210.0GPa,荷載P單位以kg計。

表1 受拉測試光纖及應(yīng)變片對比表

為了得出點式光纖傳感器的標(biāo)定系數(shù),本文將表中應(yīng)變片數(shù)據(jù)和光纖數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,所得擬合圖示及數(shù)據(jù)如圖4和表3所示。

表2 受壓測試光纖及應(yīng)變片對比表

圖4 標(biāo)定試驗結(jié)果

表3 裸光纖與緊套光纖拉、壓應(yīng)變擬合表

表3中,Y為光纖應(yīng)變值,X為應(yīng)變片應(yīng)變值,R為相關(guān)系數(shù)。

由圖4(a)可知,緊套光纖在H點應(yīng)變下降,推測其主要原因為光纖護(hù)套層和纖芯發(fā)生了相對滑移,降低了應(yīng)變傳遞值,故在擬合方程中需將其去除,以保證擬合方程的精確性。由拉壓應(yīng)變的線性擬合方程可看出裸光纖數(shù)據(jù)較緊套光纖數(shù)據(jù)更為精確。

2.4 測試的穩(wěn)定性

本文為了研究光纖傳感器的穩(wěn)定性,進(jìn)行了短期的持續(xù)荷載試驗,測試等強(qiáng)度梁在同一荷載下應(yīng)變值,共進(jìn)行了5次測試,每次測量時間間隔為1周,測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 重復(fù)性測試結(jié)果

本文進(jìn)行了約1個月的穩(wěn)定性測試,具體結(jié)果見圖5。由圖5(a)可知,隨著時間推移,光纖傳感器所測應(yīng)變變化較小。圖5(b)中的3條曲線表示3個峰值點隨時間推移而產(chǎn)生的應(yīng)變變化,可以看出光纖傳感器應(yīng)變變化在±4με左右變化,具有較好的穩(wěn)定性。

3 基于BOTDA鋼結(jié)構(gòu)全尺度應(yīng)變光纖監(jiān)測的應(yīng)用

本文在鋼桁架上開展了全尺度應(yīng)變的應(yīng)用研究,將分布式傳感光纖采用環(huán)氧樹脂黏貼在鋼材表面進(jìn)行全局應(yīng)變監(jiān)測,采用電磁鐵方式布設(shè)點式光纖傳感器進(jìn)行局部應(yīng)變監(jiān)測。

圖6 桁架試驗布置

試驗布置如圖6所示,分8次加載,每級加載為6kN。

圖7為第1次、第4次和第8次加載時全局傳感光纖的應(yīng)變測試數(shù)據(jù),可以看到,監(jiān)測所得的應(yīng)變曲線有4個明顯的峰值,其分別代表了受壓區(qū)(Ⅰ)、節(jié)點處(Ⅱ)、受拉區(qū)(Ⅲ)、熔接區(qū)(Ⅳ)。由圖7可知,盡管桁架上的應(yīng)變分布并不均勻,但分布式光纖能恰好地反映出桁架的應(yīng)變分布情況。

圖7 全局傳感光纖測試結(jié)果

本文在受壓區(qū)同時布設(shè)了分布式傳感光纖、點式傳感光纖和電阻式應(yīng)變片,其對比結(jié)果如圖8所示。此時光纖為緊套光纖,且受壓應(yīng)變,故除以系數(shù)0.24。

圖8 分布式光纖傳感器與應(yīng)變片的應(yīng)變情況

由圖8可看出點式光纖傳感器測得的數(shù)據(jù)與其余兩種基本吻合。

4 結(jié)論

鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣,由鋼結(jié)構(gòu)帶來的一系列病害也逐漸暴露出來,對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測越來越重要。本文設(shè)計了一種基于BOTDA鋼結(jié)構(gòu)全尺度應(yīng)變監(jiān)測方法,并對其進(jìn)行了定位試驗、重復(fù)性試驗和標(biāo)定試驗,主要結(jié)論如下:

(1)本文提出了一種分布式光纖傳感器對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測的方法,該方法可實現(xiàn)全局式與點式應(yīng)變監(jiān)測的測試。

(2)本文提出的點式光纖傳感器在高應(yīng)力狀態(tài)下,保護(hù)套和光纖之間不可避免的存在相對滑移,因此,為避免保護(hù)套和光纖之間滑動帶來的數(shù)據(jù)異常,除了預(yù)拉應(yīng)力控制在臨界值以下(該臨界值可通過標(biāo)定試驗獲取),建議采用裸光纖進(jìn)行測試,此時,需做好傳感光纖的保護(hù)措施。

(3)進(jìn)行了定位試驗,重復(fù)性試驗和標(biāo)定試驗,對分布式光纖傳感器的采樣點查找,穩(wěn)定性及精確度進(jìn)行了研究,得出分布式光纖傳感技術(shù)穩(wěn)定性好,精確度高,適用于大型鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測。

(4)本文提出的電磁鐵方法安裝方便,拆卸快捷,避免在安裝拆卸過程中對光纖造成損傷,提高了分布式光纖傳感器的重復(fù)使用率,降低了監(jiān)測成本。

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Experimental Research on Full Scale Strain Monitoring for Steel Structure Based on BOTDA*

WANGQi1,MAOJianghong1*,CHENJiayun2,XUBinfeng3,LUFei1,YUKaiqi1

(1.Ningbo Institute of Technology,Zhejiang University,Ningbo Zhejiang 315100,China;2.Institute of Structural Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;3.Zhejiang Engineering Prospecting Institute,Ningbo Zhejiang 315012,China)

Structure failures induced by overload or corrosion problems become the prevalent problem in large steel structures. Full scale monitoring in large steel structures is the key to evaluate the remaining service life of structures and make maintenance decisions. Distributed optical fiber sensing technology has advantages such as the applicability for distributed installation and the resistance to electromagnetic interference,which is suitable for monitoring the full scale of steel structures. This paper designed the entire and local layout method of optical fiber sensors. Calibration test and replicate test were carried out for this layout method,Meanwhile the full-scale strain monitoring was applied in steel truss structures. The results showed that distributed optical fiber sensing technology could acquire the full-scale strain of steel structures effectively. What’s more,this paper presumed a layout method based on electromagnet,which could be installed and disassembled conveniently. The research results could be applied in the health monitoring system for integration of large steel structure,in order to evaluate the whole life health status of steel structures.

steel structure;strain;distributed optical fiber sensing technology;structural health monitoring

王 麒(1994-),男,浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院學(xué)生,開展分布式光纖傳感技術(shù)的創(chuàng)新訓(xùn)練,主要進(jìn)行BOTDA技術(shù)的應(yīng)用研究;

毛江鴻(1985-),男,博士,講師,主要研究方向為分布式光纖傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用,jhmao@nit.zju.edu.cn;

許斌鋒(1970-),男,高級工程師,主要從事土木程結(jié)構(gòu)檢測與評估工作。

項目來源:國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201413022019);國家自然科學(xué)基金(51408544);浙江省自然科學(xué)基金(LQ14E080007);寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(2011B81005)

2014-11-02 修改日期:2014-11-29

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.03.025

TU317.3

A

1004-1699(2015)03-0443-06