纜索內置光纖光柵傳感器膠接植入試驗研究*

趙 霞,鄭 銳,劉禮華,陳政清,張昶陽

(1.江蘇法爾勝光電科技有限公司,江蘇 江陰 214400;2.法爾勝泓昇集團有限公司,江蘇 江陰 214433;3.湖南大學土木工程學院橋梁系,長沙 410082)

橋梁纜索索力是纜索安全可靠的重要指標,對纜索索力的連續在線監測也一直是該領域研究的重點[1-2]。盡管光纖光柵FBG(Fiber Bragg Grating)傳感器具有優異的性能[3-5]而被認為是實現纜索索力在線監測的重要手段,但光纖光柵傳感器在纜索中的植入技術一直限制了其應用。

光纖光柵傳感器的植入技術是影響其監測穩定、可靠的關鍵技術之一。目前,在橋梁纜索索力監測的應用中FBG傳感器植入方式主要有以下3種:①將FBG傳感器埋植于復合材料中,制備成帶有FBG的復合材料筋材,而替代纜索中的鋼絲錨固于纜索結構中來監測纜索受力[6-9];②利用FBG傳感器制備成壓力環,將FBG壓力環放置于纜索錨固端,通過測試錨固端所受壓力來監測纜索受力情況[10-12];③在纜索的制備過程中,利用抱箍將FBG傳感器固定于纜索連接筒部位的鋼絲上,通過鋼絲的局部應變反映纜索的整體受力,這種固定傳感器于索體內鋼絲的方法被稱之為內置式FBG傳感器[13-17]。由于內置式FBG傳感器具有成本低、操作簡明等優點而被用于橋梁纜索索力的在線監測。

然而,在內置式光纖光柵傳感器用于橋梁纜索索力監測的過程中發現:由于纜索鋼絲強度較高導致抱箍安裝非常困難。因此,一種便于安裝、結構性能優異的連接固定方式是目前內置光纖光柵傳感器監測橋梁纜索索力的迫切需要。盡管前期[18]已經研究了環氧結構膠和抱箍兩種傳感器固定方式下測試性能和疲勞可靠性,并初步認為抱箍結構固定的傳感器是纜索索力可靠性、穩定性測試的有效途徑,但為了解決傳感器抱箍安裝難題,膠接仍是解決安裝困難的重要方法。

本研究選擇一種雙組分甲基丙烯酸結構膠來粘結傳感器支座和鋼絲,通過對膠接傳感器支座的剪切、疲勞測試評估該膠接結構力學性能的穩定、可靠性,進而通過循環加卸載測試研究鋼絲上膠接傳感器的測試的準確性、穩定性和可靠性,以期為內置式FBG傳感器在橋梁纜索索力監測的應用提供基礎。

1 FBG應變傳感器監測原理

光纖Bragg光柵是最簡單、常見的一種光纖光柵,當一束中心波長為λ的寬帶譜光經過光纖Bragg光柵時,光纖Bragg光柵相當于一個窄帶的反射鏡僅可反射某一波長λB附近的光,則反射光的中心波長λB與光柵的折射率變化周期Λ和有效折射率neff相關,也即:

λB=2neffΛ

(1)

溫度、應變的變化會引起光纖Bragg光柵的周期和折射率的變化,進而使光纖Bragg光柵的反射譜和透射譜發生變化。通過檢測光纖Bragg光柵的反射譜和透射譜變化,則可獲得相應溫度、應變變化。如:在不考慮溫度變化時,光纖光柵中心波長與其軸向應變的關系如下[4]:

(2)

式中:Pe為光纖彈光系數,εf為光纖軸向應變。

對于纜索內置光纖光柵應變傳感器,鋼絲因承載而發生應變變形,此變形通過傳感器與鋼絲間的固定結構而傳遞至光纖光柵使其發生軸向應變,進而改變其中心波長,根據中心波長的變化可評估鋼絲的受力情況。在鋼絲載荷位移傳遞至光纖光柵傳感器的過程中,由于其膠接結構主要承受剪切作用,且橋梁纜索鋼絲常承受車輛等動態載荷,因此,需評估傳感器支座與鋼絲間膠接結構的剪切性能以及鋼絲在疲勞作用下其膠接結構的可靠性。另外,為了進一步了解膠接固定的FBG傳感器測試的穩定、可靠性,需對鋼絲在循環加卸載作用下傳感器波長與鋼絲承受載荷間的關系進行研究。

2 實驗

2.1 材料

強度級別為1 960 MPa、直徑為7 mm的橋梁纜索用高強度鍍鋅鋼絲作為試驗鋼絲。根據鋼絲供應商(江蘇法爾勝纜索有限公司)提供數據,其化學成分如表1所示。通過鋼絲拉伸測試,該鋼絲拉伸力學性能如圖1所示。將鋼絲剪成兩種長度:25 cm和50 cm,其中25 cm鋼絲需5根(用于膠接傳感器支座進行剪切測試),50 cm鋼絲6根(3根用于膠接傳感器支座進行疲勞測試,3根用于膠接FBG傳感器進行循環加載測試)。

表1 Ф7 mm高強度鍍鋅鋼絲化學成分

圖1 Ф7 mm高強度鍍鋅鋼絲工程應力應變曲線

ITW Plexus MA530結構膠是雙組分甲基丙烯酸膠,其力學性能如表2所示。

表2 MA530結構膠的力學性能

MA530結構膠用于粘接φ7 mm高強度鍍鋅鋼絲與由304不銹鋼加工而成的FBG傳感器支座。傳感器支座與鋼絲貼合的圓弧直徑為7.25 mm,支座圓弧面的角度120°。

2.2 纜索內置光纖光柵傳感器及試樣制備

圖2為內置式光纖光柵傳感器封裝結構示意圖[14]。

圖2 內置光纖光柵傳感器封裝結構

光纖光柵傳感器膠接于試驗用鋼絲,其試樣制備步驟如下:①使用無水乙醇清洗待膠接鋼絲部位和傳感器支座圓弧面;②采用膠槍和攪拌管將雙組分的膠粘劑按1∶1的比例攪拌擠出,均勻涂抹于清洗的支座圓弧面上,并在膠層表面撒少量直徑為0.25 mm的玻璃球;③將涂有結構膠的傳感器及支座在在鋼絲中心位置(也即長為50 cm鋼絲的中間部位)與鋼絲貼合,采用夾具夾持,以保證支座與鋼絲間的膠層厚度。根據結構膠生產商規定的結構膠固化條件,將制備的試樣放置于室溫下保持60 min以使膠完全固化。

疲勞測試使用50 cm的鋼絲,將兩個支座分別膠接于距鋼絲的中心3 cm～5 cm處,疲勞試樣如圖3所示。對于剪切測試試樣,采用與上述相同的膠接工藝,將支座膠接于25 cm鋼絲的一端5 cm處(也即為圖3疲勞試樣從鋼絲中心位置處剪斷)。

圖3 疲勞測試的膠接鋼絲-支座結構

2.3 剪切測試

膠接固定于鋼絲上的FBG傳感器主要是由兩支座間的相對位移(支座間鋼絲承載變形引起)將信號傳遞至FBG傳感器,這個過程支座與鋼絲間膠接結構主要受剪切載荷影響。因此,評估傳感器支座與鋼絲膠接結構的剪切載荷是膠接的FBG傳感器準確、穩定測試的關鍵。

將剪切測試試樣(長為25 cm的鋼絲上一端粘結有傳感器支座)放置于自制的測試夾具內(如圖4所示),利用拉伸機(Instron Legend 2369)測試其膠接結構的剪切強度,拉伸速率為5 mm/min。試樣的剪切載荷為其最大的破斷剪切載荷。每組測試至少3個試樣,測試結果的平均值作為其剪切載荷。剪切強度則為剪切載荷除以支座與鋼絲膠接的圓弧面積。

圖4 傳感器支座-鋼絲膠接結構剪切測試

2.4 疲勞測試

橋梁纜索常由車輛等動載通過需承受動態載荷作用,而固定FBG傳感器于纜索鋼絲上的膠接結構力學性能在疲勞載荷下若發生改變,則會影響FBG傳感器測試的可靠性。因此,需研究鋼絲承受疲勞載荷時其與傳感器支座間的膠接結構的疲勞可靠性。

為了評估鋼絲上傳感器膠接結構的可靠性,對50 cm長鋼絲上膠接固定兩個支座于距鋼絲的中心3至5cm處的疲勞測試試樣進行疲勞測試。根據光纖光柵拉伸強度及FBG傳感器內置于纜索內部的尺寸、可靠性等要求,疲勞測試選擇傳感器支座長度為15 mm的試樣在PLG-200C疲勞試驗機(長春機械科學研究院)上進行。疲勞測試參考橋梁纜索熱鍍鋅鋼絲國家標準GB/T 17107—2008進行,最大疲勞載荷為0.45Fm(其中Fm為鋼絲的破斷載荷),360 MPa的載荷幅值,載荷頻率為80 Hz,循環200萬次。將經歷200萬次疲勞測試的試樣從兩傳感器支座中間位置剪斷鋼絲,然后進行剪切測試,以評估200萬次的疲勞對傳感器支座/鋼絲膠接結構的影響。

2.5 循環加卸載測試

循環加卸載測試常用來評估光纖光柵傳感器的測試性能,即測試的穩定性和可靠性[19-20]。為了評估膠接植入的內置光纖光柵傳感器的測試性能,將膠接粘結的光纖光柵傳感器-鋼絲試樣進行循環加、卸載測試,以分析循環加卸載下鋼絲的承載載荷與傳感器的波長關系。試驗采用Instron Legend 2369拉伸機,光纖光柵解調儀采用Micron Optics,sm125。測試前取下傳感器保護蓋板,每一次加-卸載循環將試樣鋼絲加載至其抗拉強度的70%,卸載至50 N,每樣進行3個循環。加載和卸載的速率均為5 mm/min。測試重復3個試樣,且在循環測試時,環境溫度保持相同的室溫(～24 ℃)以避免溫度對光纖光柵傳感器波長的影響。

3 結果與討論

3.1 內置光纖光柵傳感器的膠接結構力學性能研究

膠接固定FBG傳感器支座于鋼絲結構是通過膠接結構將承受載荷傳鋼絲的應變傳遞至FBG傳感器,故傳感器準確、穩定、可靠測試橋梁纜索索力的關鍵之一(還涉及FBG傳感器性能等,本文不作研究)即為膠接結構的剪切和疲勞性能。下面從這兩個方面進行分析。

①剪切性能

圖5(a)為FBG傳感器支座長度對其與鋼絲的膠接結構剪切載荷影響。由圖5可知:膠接結構剪切載荷隨著支座長度的增長而增加,這主要是由于支座長度增加而增加了膠接面積引起,其剪切強度基本保持不變(見圖5(b))。在支座長度為10 mm時的膠接結構的剪切載荷(～526 N)已遠大于光纖光柵的抗拉載荷(～20 N[21]),這表明固定FBG傳感器的膠接結構在鋼絲承載變形時由于其剪切載荷較大,故可準確將鋼絲應變傳遞至傳感器。

圖6為不同支座長度時膠接剪切的斷面。由圖可知,所有斷面均為內聚失效模式(即膠層內部失效)[22],也即支座長度對失效模式無影響。內聚失效模式表明膠接結構在剪切載荷下抗剪切能力穩定,其是膠接固定FBG傳感器測試穩定性的重要因素。

圖5 內置FBG傳感器支座長度對其膠接剪切載荷和剪切強度的影響

圖6 FBG傳感器支座長度對其膠接結構的剪切失效斷面影響

基于上述結果,將光纖光柵傳感器采用膠接固定于鋼絲上,由于膠接結構較大的剪切載荷和完全的內聚失效模式,其光纖光柵傳感器對鋼絲的應變可準確、穩定反映。

②疲勞可靠性

圖7為鋼絲經200萬次疲勞前后鋼絲上膠接光纖光柵傳感器支座(支座長15 mm)結構的剩余剪切載荷。由圖可知,鋼絲承受200萬次疲勞載荷后其平均剩余剪切載荷為814 N,而疲勞前試樣平均剪切載荷為828 N,故200萬次疲勞對膠接粘結結構的剪切載荷影響較小,且其剪切失效模式仍為內聚失效(如圖8所示)。這表明:在鋼絲承受200萬次疲勞載荷后,鋼絲上傳感器支座膠接結構的力學性能未發生明顯變化。由此,可推測鋼絲經200萬次疲勞測試其固定傳感器的膠接結構仍可保證鋼絲應變傳遞的可靠性。

圖7 鋼絲200萬次疲勞對鋼絲-傳感器支座膠接剪切載荷影響

圖8 疲勞測試后傳感器支座與鋼絲的剪切失效模式

基于以上結果,橋梁纜索鋼絲上監測纜索索力的FBG傳感器采用的膠接固定方式具有較高的剪切強度,且疲勞可靠性能良好,進而對其固定FBG傳感器測試的準確、穩定和可靠性有重要作用。下面通過鋼絲的循環加卸載實驗來評估膠接結構下FBG傳感器的測試性能。

圖9 鋼絲上膠接粘結FBG傳感器試樣鋼絲承載載荷-傳感器波長關系

3.2 膠接內置光纖光柵傳感器的測試性能研究

圖9(a)、9(b)和9(c)分別為鋼絲上膠接固定FBG傳感器的3個試樣(即為試樣A、B和C)在循環加-卸載測試時傳感器的波長與鋼絲承載載荷關系。由圖9可看出:3個試樣的波長與鋼絲承載載荷間關系在加載和卸載階段分別重合,為兩條近似平行的直線,且加載階段傳感器波長與載荷關系的直線在卸載階段的下方。對于每個試樣的三次加、卸載循環,其波長-載荷關系在加載和卸載階段分別重合表明膠接FBG傳感器的測試具有良好的穩定、可靠性。而對于各試樣在加載和卸載階段的波長與載荷關系相互平行但不重合,且在加載階段傳感器的波長小于卸載過程的波長,也即在相同載荷時,加載過程的FBG傳感器波長小于卸載時波長,這可能與鋼絲自身的力學性能相關。為了進一步了解加、卸載階段的波長差異,選取鋼絲加卸載的典型載荷-位移曲線進行分析。

圖10 鋼絲加卸載循環測試的典型載荷-位移關系

圖10為試樣B鋼絲在循環加卸載測試時的載荷-位移曲線。由圖10可以看出:試樣B鋼絲的加載和卸載曲線不重合,且在相同載荷下,加載曲線的位移量小于卸載的位移量,這是由于加卸載過程中鋼絲的滯回導致[23]。因此,鋼絲在加、卸載過程中的滯回效應可能是引起相同載荷下加載FBG傳感器波長小于卸載波長的原因。鋼絲上膠接FBG傳感器可分辨鋼絲加卸載過程的滯回效應,且鋼絲的承載載荷與FBG傳感器的波長變化呈良好的線性關系,這表明鋼絲上膠接固定的FBG傳感器對鋼絲應變具有良好的準確性。

另外,圖10中第1次加載曲線,其位移量較大,這可能是由于試驗前鋼絲的彎曲導致。而結合圖9結果可推測,FBG傳感器兩支座間的鋼絲在承載作用下變形較穩定,鋼絲輕微彎曲對測試結果影響不大。

4 結論

①增加傳感器支座長度,支座膠接粘結于鋼絲結構的剪切載荷增加,但失效模式未發生變化,均為內聚失效;

②200萬次鋼絲的疲勞試驗對鋼絲-傳感器膠接結構的力學性能影響較小;

③鋼絲的加、卸載循環測試時,鋼絲加卸載時的滯回效應導致相同載荷下加載階段鋼絲上膠接傳感器的波長小于卸載階段;

④鋼絲上膠接固定的光纖光柵傳感器可區分鋼絲加卸載階段的滯回效應,并每個循環加、卸載的波長和鋼絲承載載荷關系呈線性且分別重合,這表明其測試具有良好的準確、穩定和可靠性。

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