基于BOTDA的鋼結構全尺度應變監測方法及其試驗研究*

王 麒,毛江鴻*,陳佳蕓,許斌鋒,陸 飛,俞凱奇

(1.浙江大學寧波理工學院,浙江 寧波 315100;2.浙江大學結構工程研究所,杭州 310058;3.浙江省工程勘察院,浙江 寧波 315040)

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基于BOTDA的鋼結構全尺度應變監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.浙江大學寧波理工學院,浙江 寧波 315100;2.浙江大學結構工程研究所,杭州 310058;3.浙江省工程勘察院,浙江 寧波 315040)

大型鋼結構因為超載或者腐蝕等問題引起的結構失效越來越多,對大型鋼結構進行全尺度監測是評估結構的剩余使用壽命和做出維修決策的關鍵。分布式光纖傳感技術具備分布式、抗電磁干擾能力強等優點,適用于鋼結構的全尺度監測。設計了傳感光纖的全面和局部布設方法,對上述方法進行了標定、重復性等試驗,并將其應用于鋼桁架的全尺度應變監測中。結果表明,分布式光纖傳感技術可有效獲取鋼結構全尺度應變,同時,提出的基于電磁鐵方式具備快速、可拆卸等優點。本文研究成果可用以集成大型鋼結構健康監測系統,實現鋼結構的全壽命健康狀態評估。

鋼結構;應變;分布式光纖傳感技術;健康監測

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。房屋建筑方面,鋼結構主要應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,鋼結構主要應用大跨橋梁中,如鄭州鐵路橋、武漢長江大橋等。鋼結構橋梁雖然具有良好工作性能,但鋼結構各構件的連接及維護較為復雜,影響結構安全的因素也較多。鋼結構病害主要體現在原材料不合格、連接可靠度不足、鋼材腐蝕等方面[1],以及力學狀態的改變,如屋面雪荷載過大引起鋼結構屋面承載力超過設計值[2],地基不均勻沉降引起上部結構損壞[3],火災后鋼材強度變化[4]等。因此,鋼結構的應變監測對于預防鋼結構的病害必不可少。

結構應變的傳統監測傳統方法主要有應變片法和振弦式應變傳感器。然而,由于重大工程因其結構體積大、監測元件使用量多并且受電磁干擾影響大,在系統集成和數據穩定性方面存在不足[5]。光纖傳感技術相比傳統技術具備可植入性強,抗電磁干擾,耐久性好等優點,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,邊坡進行了結構健康監測[6]與煤礦火災監測應用[7]。分布式光纖傳感器(BOTDA)相比FBG傳感器具備長距離、分布式等優勢,特別適用于大型結構監測,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行了分布式應變或溫度監測,取得較好效果[8-10]。將分布式光纖傳感技術應用于鋼結構應變監測的報道較少,侯華東利用BOTDA進行了大跨度城市鋼箱梁高架橋進行過應變監測[11],取得了較好的監測結果,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在鋼結構應變監測應用中更為便捷。同時,本文對點式光纖傳感器進行了定位試驗、重復性試驗和標定試驗,并在鋼桁架靜載試驗中進行了有效性驗證。

1 基于BOTDA的鋼結構全尺度應變監測方法

1.1 BOTDA監測原理

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

(1)

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

分布式光纖應變傳感技術可對結構應變進行分布式監測,但由于入射光存在脈沖寬度限制,使得該技術需考慮空間分辨率影響,采樣點的應變數據實際上是一段光纖內應變的綜合反映[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的全局應變監測方法

分布式光纖傳感技術進行整體應變監測時,除了施工過程中可能存在的光損外,還需要關注結構基體至纖芯的應變傳遞率。分布式光纖傳感器結構模型主要由包層、涂覆層、護套層等中間層組成[14]。由剪滯理論[15]可知,結構應變通過各中間層剪切作用傳遞至傳感光纖纖芯,部分應變由于中間層彈性模量差異被損耗[16]。文獻[17]對分布式光纖的應變傳遞率進行了理論和試驗分析,認為對于已建結構,采用環氧樹脂等柔性粘結劑具有良好的粘結性能,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,本文采用環氧樹脂進行光纖粘結,光纖采用900μm緊套光纖,將其粘結在鋼結構表面進行整體應變監測。

1.3 基于BOTDA的局部應變監測方法

鋼結構存在一些局部區域無法進行分布式監測,如肋板加勁處等區域,且上述區域往往存在應力集中現象,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。該方法具備光纖預拉力可控、可重復利用、拆卸便利等優點,特別適用于鋼結構局部應變的短期監測,同時實現了局部區域應變的監測,局部區域監測傳感光纖的布設方式如圖1所示。

圖1 點式傳感器結構圖

具體安裝過程如下:首先,把傳感光纖粘結與兩塊磁鐵上,粘結過程中,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,施加一定預應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,采用環氧樹脂進行電磁鐵的固定。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,產生ΔL的伸長量,ΔL/L即為預拉力產生的應變值。因此,安裝過程中只需控制兩端電磁鐵的距離即可獲取設定的預拉應力值。最后,環氧樹脂硬化后解除通電狀態,以消除電磁鐵發熱引起的溫度影響。

2 基于BOTDA的鋼結構全尺應變監測的性能研究

2.1 試驗設計

將具備分布式傳感特點的BOTDA技術應用于鋼結構全尺度應變監測時,需要考察如下性能指標:

①空間點識別:BOTDA可進行長距離測試,采樣點位置為距離儀器起點的長度,將光纖粘結于結構表面時,需要知道光纖應變變化處對應的結構位置。

②測試精度:BOTDA受限于空間分辨率,需要進行標定試驗,建立測試數據和實際應變之間的對應關系。

③測試穩定性:結構應變是通過剪切作用傳遞至光纖纖芯,如果護套、包層及涂覆層之間出現滑移,則纖芯應變將有所降低,影響數據穩定性。

基于上述考慮,本文分別開展了定位試驗、標定試驗和重復性試驗。將900μm緊套光纖固定于等強度梁上,傳感段光纖長度為15cm。同時,為了檢驗光纖護套層對測試應變的影響,對比分析了900μm緊套光纖和250μm裸光纖的測試結果。在等強度梁上黏貼電阻式應變片,讀取等強度梁的真實應變值。光纖傳感器連接于DITESTSTA-R型BOTDA傳感器,設置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

通過在等強度梁末端放置砝碼實現加載,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變測試性能,獲取數據后,翻轉并固定等強度梁,以同樣的光纖布置方式研究其拉應變測試性能。

2.2 空間位置識別

在實際鋼結構工程監測中,由于鋼結構的應變變化較小,分布式光纖傳感器很難找到其監測位置,因此也很難分析鋼結構的受力變化,本文通過對分布式傳感光纖施加一定的預拉力來確定其監測位置,結果如圖3所示。

由圖3可知,如果對傳感光纖施加一定預拉力,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拉力時所表現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 標定試驗

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

(3)

等強度梁的參數為: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 受拉測試光纖及應變片對比表

為了得出點式光纖傳感器的標定系數,本文將表中應變片數據和光纖數據進行擬合,所得擬合圖示及數據如圖4和表3所示。

表2 受壓測試光纖及應變片對比表

圖4 標定試驗結果

表3 裸光纖與緊套光纖拉、壓應變擬合表

表3中,Y為光纖應變值,X為應變片應變值,R為相關系數。

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

2.4 測試的穩定性

本文為了研究光纖傳感器的穩定性,進行了短期的持續荷載試驗,測試等強度梁在同一荷載下應變值,共進行了5次測試,每次測量時間間隔為1周,測試結果如圖5所示。

圖5 重復性測試結果

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

3 基于BOTDA鋼結構全尺度應變光纖監測的應用

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

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變測試數據,可以看到,監測所得的應變曲線有4個明顯的峰值,其分別代表了受壓區(Ⅰ)、節點處(Ⅱ)、受拉區(Ⅲ)、熔接區(Ⅳ)。由圖7可知,盡管桁架上的應變分布并不均勻,但分布式光纖能恰好地反映出桁架的應變分布情況。

圖7 全局傳感光纖測試結果

本文在受壓區同時布設了分布式傳感光纖、點式傳感光纖和電阻式應變片,其對比結果如圖8所示。此時光纖為緊套光纖,且受壓應變,故除以系數0.24。

圖8 分布式光纖傳感器與應變片的應變情況

由圖8可看出點式光纖傳感器測得的數據與其余兩種基本吻合。

4 結論

鋼結構的應用領域越來越廣,由鋼結構帶來的一系列病害也逐漸暴露出來,對鋼結構進行應變監測越來越重要。本文設計了一種基于BOTDA鋼結構全尺度應變監測方法,并對其進行了定位試驗、重復性試驗和標定試驗,主要結論如下:

(1)本文提出了一種分布式光纖傳感器對鋼結構進行應變監測的方法,該方法可實現全局式與點式應變監測的測試。

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

(3)進行了定位試驗,重復性試驗和標定試驗,對分布式光纖傳感器的采樣點查找,穩定性及精確度進行了研究,得出分布式光纖傳感技術穩定性好,精確度高,適用于大型鋼結構的應變監測。

(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使用率,降低了監測成本。

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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,浙江大學寧波理工學院土木建筑工程學院學生,開展分布式光纖傳感技術的創新訓練,主要進行BOTDA技術的應用研究;

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在結構健康監測中的應用,jhmao@nit.zju.edu.cn;

許斌鋒(1970-),男,高級工程師,主要從事土木程結構檢測與評估工作。

項目來源:國家大學生創新創業訓練計劃項目(201413022019);國家自然科學基金(51408544);浙江省自然科學基金(LQ14E080007);寧波市科技創新團隊(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