光纖Bragg光柵應變測試技術在大型振動臺模型試驗中應用

陳 蘇，陳國興，徐洪鐘，戚承志，王志華

(1.南京工業大學 巖土工程研究所,南京 210009；2.江蘇省土木工程防震技術研究中心,南京 210009；3.北京建筑工程學院 土木與交通工程學院,北京 100044)

目前，我國已有34個城市已建或獲批地鐵建設規劃，地鐵建設已成為解決大城市交通擁擠的有效途徑。地鐵車站為地鐵的交通樞紐，人員密集度高，一旦遭遇破壞將會造成重大人員傷亡及財產損失，且修復難度大。1985年Ms8.1級墨西哥地震、1995年Ms7.2級日本阪神地震，使墨西哥城、神戶的地鐵區間隧道及地下車站結構發生嚴重震害現象。由于缺乏(現場實測數據，已對不同場地條件、截面形式、模型材料的地下結構抗震性能進行研究[1-7]，試驗所得數據對促進地下結構地震反應分析理論及數值分析方法的進步有較大幫助。對大型振動臺試驗而言，鍍鋅鋼絲應變測試技術難點在于鋼絲直徑太小，無法滿足粘貼應變片基體尺寸要求，較難深入研究模型結構中鍍鋅鋼絲與微粒混凝土或石膏的協同工作關系，難以科學解釋地下車站結構地震損傷及災變的內在機理。

光纖光柵傳感技術作為迅速發展的新型傳感技術被應用。光纖Bragg光柵是目前最成熟、應用最廣泛的光纖光柵傳感技術，其優點為：① 形態纖細，裸光纖直徑僅125 μm，可測試相似比縮尺后小尺寸基體材料振動反應；② 抗干擾能力及信號穩定性強；③ 耐腐蝕性、耐久性優于傳統傳感器，更適合于惡劣試驗條件。本文試驗采用自行封裝、保護的裸光纖Bragg光柵完成地震動作用下模擬鋼筋鍍鋅鋼絲的動應變測試。

1 三拱立柱式地鐵車站振動臺試驗方案簡介

本次振動臺試驗所用地基土模型土箱及動態信號采集系統見文獻[8-9]。據Bukingham π定理設計相似比，模型結構選長度、彈性模量、加速度為基本物理量；模型地基選剪切波速、密度、加速度為基本物理量，按量綱分析原則推導其余各物理量相似比關系。模型地基-模型結構體系各物理量相似比見表1。采用水沉法分層制備模型地基土，表層為厚15 cm粘土，其下為厚125 cm的飽和南京細砂。模型地基土在飽和狀態下靜置7天使其固結；模型結構微粒混凝土配合比為水：水泥：石灰：粗砂=0.5：1：0.58：5，模擬鋼筋的鍍鋅鋼絲直徑0.7～1.2 mm(箍筋：0.7 mm，柱、拱1.2 mm)，模型結構端頭用10 mm厚有機玻璃封口，有機玻璃與模型結構用環氧樹脂膠結；考慮模型結構與原型結構的慣性力匹配，采用不完全配重法及集中質量配重，在模型結構表面粘貼鉛塊236 kg，占完全配重的40.6%；模型結構及配重布置見圖1。振動臺試驗輸入地震動為5.12汶川大地震近場地震動什邡波、遠場地震動松潘波及中遠場地震動Taft波，地震動特性見文獻[5]，加載工況見表2。

圖1 三拱立柱式地鐵車站模型結構及配重布置

表1 模型地基-模型結構體系相似關系及相似比設計

表2 地鐵車站結構振動臺模型試驗加載工況

2 光纖Bragg光柵應變測試原理及試驗方案

2.1 光纖Bragg光柵應變測試原理

光纖Bragg光柵工作原理見圖2。利用光纖材料的光敏性在纖芯內形成空間相位，光柵作用的實質為在纖芯內形成窄帶濾波器或反射鏡，使光在其中的傳播行為得以改變與控制[10]，通過光譜分析反射光譜及透射光譜中心波長的改變量，據標定關系間接獲取目標測試物理量。大型振動臺試驗工況下，地震動引起光柵Bragg波長移位，導致光柵周期Λ變化，光纖本身具有的彈光效應使有效折射率neff隨外部地震動激勵的改變而改變，光柵Bragg波長移位表達式為

λB=2neffΛ

(1)

式中,λB為入射光通過光纖Bragg光柵反射的中心波長；Λ為光柵周期；neff為光纖纖芯針對自由空間中心波長折射率。

據已有研究[11]，光纖光柵彈光效應單位縱向應變引起的波長移位為1.22 pm/με，因此中心波長改變量與應變值標定關系換算式為

ε=ΔλB×1 000/1.22

(2)

式中,ε為應變值；ΔλB為中心波長改變量。

圖2 光纖Bragg光柵傳感工作原理圖

2.2 鍍鋅鋼絲應變測試方案

試驗及震害調查表明[3-7]：地震作用下地鐵車站的中柱易損傷或破壞，因此，本次試驗測試對象選取中柱；模型結構縱軸向三跨，選取模型結構中跨中柱為應變測試觀測面，布設4個光纖Bragg光柵測點。傳感器編號G代表光纖Bragg光柵，S代表應變片。應變測試截面見圖3，傳感器布設見圖4。右側中柱Z2頂端、中部及底端依次采用光纖光柵(測點G1、G2、G3)測試鍍鋅鋼絲應變時程，采用應變片(測點S1-7、S1-8、S1-9)測試對應位置微粒混凝土應變時程，比較兩者差異性分析其協同工作關系；左側中柱Z1頂端設置光纖光柵測點G4及應變片測點S1-1，用以對比左、右側中柱應變反應差異性。

試驗中模擬鋼筋的鍍鋅鋼絲直徑微小，應變片及常規傳感器均不能滿足測試要求，故用裸光纖Bragg光柵進行測試。裸光纖形態纖細，易拉斷、折斷，因此試驗中需對其進行封裝、保護，以保證光纖Bragg光柵的存活率；封裝保護致使感受外界因素變化的纖芯與被測對象間產生中間層。據已有對中間層研究[12]及鍍鋅鋼絲直徑較小(1.2 mm)情況，采用粘貼式封裝方法見圖5。粘貼前，先用酒精清理測試點雜質，再用502膠將Bragg光柵段粘貼于測點，待膠凝固后，用環氧樹脂封裝應變測點處光柵段。光柵段兩側光纖按相同方法粘貼在測點兩側的鍍鋅鋼絲上，以避免光纖段拉扯脫離鍍鋅鋼絲表面；待膠水凝固后，光纖引線套入細套管中，進行一次保護；為防止澆筑微粒混凝土過程中破壞光纖引線，將穿越微粒混凝土段的光纖引線用鎧裝光纜進行二次保護。

圖3 模型結構應變測試觀測面

圖4 地鐵車站模型結構觀測面應變測點布置圖

圖5 光纖Bragg光柵封裝示意圖

光纖Bragg光柵應變測試流程見圖6。振動引起的光纖Bragg光柵中心波長改變量信號，通過光纖傳至動態光纖光柵傳感解調儀MOI SM130中，將中心波長改變量轉化成應變信號，解調后數據通過以太網實現與電腦終端數據傳遞。

圖6 采用光纖Bragg光柵測試應變流程圖

3 試驗結果與分析

3.1 鍍鋅鋼絲應變反應規律

什邡地震動作用下模型車站結構中柱頂端、中部及底端鍍鋅鋼絲應變時程曲線見圖7。由圖7看出，隨輸入地震動峰值加速度的增大，鍍鋅鋼絲各測點應變峰值均有所增加；右側中柱柱頂G1峰值應變大于柱底G3峰值應變，中部G2峰值應變遠小于柱頂G1及柱底G3。其原因可解釋為：三拱立柱式地鐵車站屬柱承重模式結構，而其地震響應主要受周邊土體位移控制，模型地基頂部位移較大。在水平向地震動作用下，模型結構中柱柱頂承受彎曲應力更大，從而使柱頂峰值應變大于柱底峰值應變；而中柱中部近似為構件的反彎點位置，附加彎曲應力最小。

模型結構左、右側中柱柱頂測點G4、G1應變反應呈現輕微不對稱性。其原因為輸入地震動激勵不對稱性及場地液化后孔壓消散導致模型地基不均勻沉降，使模型結構產生一定程度傾斜、扭轉現象。

圖7 什邡地震動作用下光纖Bragg光柵所測中柱鍍鋅鋼絲各測點應變時程曲線

3.2 光纖Bragg光柵與應變片應變測試結果對比

3.2.1 Mann-Whitney U非參數檢驗方法

信號處理方法較多運用在機械狀態監測與故障診斷及經濟、環境等領域[13-16]。本文采用兩獨立樣本的非參數檢驗方法，即Mann-Whitney U檢驗對光纖光柵測試結果及應變片測試結果進行定量分析，通過目標樣本的秩推斷兩樣本分別代表的總體有無差別。以峰值加速度0.1 g松潘地震動作用下右側中柱頂部鍍鋅鋼絲測點G1與微粒混凝土測點S1-7應變測試結果為例，論述其原理。建立檢驗假說H0：地震動作用下，鍍鋅鋼絲應變與微粒混凝土應變總體分布相同；H1：地震動作用下，鍍鋅鋼絲應變與微粒混凝土應變總體分布不同。確定顯著性水平為雙尾α=0.05，若檢驗系數P小于0.05，則說明兩者存在顯著性差異。將光纖光柵測試樣本(測點G1共13 800個測試值)與應變片測試樣本(測點S1-7共13 800個測試值)混合，將混合樣本按大小排列并編秩。測試值的最小值秩為1，最大值秩為27 600。分別計算光纖光柵測點G1各測試值對應秩的和、應變片測點S1-7各測試值對應秩的和，獲得光纖光柵測點G1各測試值的平均秩為13 839.05，應變片測點S1-7各測試值的平均秩為13 762.95，查表得P值為0.428，大于顯著性水平0.05，即：在概率0.05水平上，接受H0，兩種應變測試方法所測應變分布無顯著差異，光纖與應變片測試信號時程見圖8。由圖8看出，兩種測試方法結果較一致。

3.2.2 鍍鋅鋼絲與微粒混凝土協同工作關系分析

本文用數據挖掘軟件Spss實現非參數檢驗Mann-Whitney U方法。由表2知，在不同地震動作用下，模型結構柱頂、柱底位置處檢驗系數P均大于0.05，在概率0.05水平上均接受H0，拒絕H1；由統計學角度，鍍鋅鋼絲應變與對應位置微粒混凝土應變分布相同，兩者無顯著性差異。中柱位置處，光纖測試結果與應變片測試結果對比見圖8，由8圖知，應變片測試結果與光纖Bragg測試結果幅值基本相同，曲線形態基本一致；在振動初始階段，用光纖Bragg光柵測試的信號“毛刺”較少；鍍鋅鋼絲未出現應變突增現象。由力學角度可判斷，振動臺試驗過程中模型結構中柱鍍鋅鋼絲與微粒混凝土處于協同變形階段，微粒混凝土柱未出現貫通裂縫，模型結構處于彈性或輕微損傷工作階段。對中柱中部小應變區域，僅在峰值加速度0.5 g的什邡地震動作用下，P值大于0.05。由統計學角度，兩者應變形態分布不同，存在明顯差異。由圖9看出，光纖Bragg光柵測點G2所測應變形態優于應變片測點S1-8測試結果，此因地震模擬系統本身電磁干擾較大，而采用應變片測試存在易受噪聲干擾、捕捉較弱信號能力較差等問題；光纖Bragg光柵具有強抗電磁干擾能力，在一定程度上克服了系統本身的應變測試誤差，并在弱信號捕捉上具有先天優勢。因此，在大型振動臺模型結構試驗中，建議對測試精度要求較高或信號較弱的測試部位，采用光纖光柵傳感測試技術。

表3 不同地震動作用下Mann-Whitney U檢驗P值

圖8 不同地震動作用下中柱鍍鋅鋼絲及微粒混凝土應變時程曲線

圖9 不同地震動作用下中柱中部鍍鋅鋼絲及微粒混凝土應變時程曲線

4 結 論

通過可液化場地的三拱立柱式地下地鐵車站結構非破壞性大型振動臺模型試驗，采用光纖Bragg光柵測試鍍鋅鋼絲的應變時程、應變片測試對應位置微粒混凝土應變時程，運用Mann-Whitney U方法定量分析鍍鋅鋼絲與微粒混凝土的相互協同工作關系，結論如下：

(1) 模型結構中柱頂部、底部位置處，鍍鋅鋼絲應變測試樣本與微粒混凝土應變測試樣本非參數檢驗系數P均大于0.05，兩者無明顯差異，結構處于彈性或輕微損傷工作階段。

(2) 中柱中部位置光纖Bragg光柵測試的應變形態顯著優于應變片測試結果。振動臺模型試驗中，小尺寸基體或電磁干擾較大、信號強度較弱的目標測試部位宜用光纖光柵傳感測試技術。

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