基于長標距FBG傳感器的混凝土梁監測技術研究

王淬礪

(福州市公路局長樂分局，福建福州350200)

結構變形是反映橋梁結構整體性能的宏觀指標，是橋梁結構健康監測的重要內容。目前，絕大多數的監控監測系統能夠有效的監測橋梁結構在溫度變化、基礎沉降、混凝土收縮徐變和運營車輛荷載作用下的變形和損傷[1,2]。然而在地震發生期間，因地面的強烈震動導致傳統的監測設備(GPS技術、加速度傳感器)缺少穩定的參考點而失效；應變片傳感器由于耐久性能較差、易受外界電磁干擾和長期不可靠性，使其不適用于結構變形的監測。光纖布拉格光柵(FBG)傳感器抗電磁干擾能力強、電絕緣性能好、耐腐蝕、體積小、重量輕、傳輸容量大等優點，且同時具備靜態和動態測試的能力，在橋梁結構的健康監測系統中具有廣泛的應用前景[3,4]。本文以一簡支混凝土梁為試驗研究對象，采用長標距FBG傳感技術進行結構變形監測研究。

1 基于分布式長標距FBG傳感器的監測原理

1.1 長標距FBG傳感器

單個長標距FBG傳感器構造如圖1所示，封裝材料采用抗腐材料玄武巖纖維材料(BFRP)，通過FBG傳感器測得的是標距范圍內的平均應變。采用玄武巖纖維材料進行封裝的FBG傳感器，其耐久性和穩定性更加優異，適合在惡劣的野外環境下使用。此外，長標距FBG傳感器可進行串聯，單根光纖便可以實現多個長標距FBG傳感器的數據采集和傳輸工作，便于進行分布式布設。

1.2 應變監測

FBG全稱Fiber Bragg Grating，即光纖光柵，在普通光纖內形成的空間相位周期性分布的光柵。當一束寬帶光源經過FBG時，滿足Bragg條件的波長將產生反射，其余波長透過FBG將繼續傳輸。當橋梁結構發生變形時，在外力的作用下，機械伸長會使光柵柵格發生變化，同時彈光效應還使得光纖材料的折射率發生變化，FBG中心波長為1 300 nm，每個με將導致1.01 pm的波長改變量；當橋梁結構周圍的溫度發生變化時，由于光纖材料的熱漲和熱光效應，會使得其折射率發生變化，溫度每變化1 ℃，FBG中心波長改變量為9.1 pm。因此，通過監測每段FBG反射光波長的變化量，可實現對應變和溫度擾動的監測。

1.3 位移監測

1860年，奧托·莫爾首先提出了一種共軛梁法，該方法假設一與實際梁等長的虛梁(共軛梁)，并將實際梁的曲率分布等效成等值的虛荷載施加到共軛梁上，則共軛梁上任一點處的彎矩值與實際梁相應位置的擾度值是相等的，即可用測得的應變分布和實際中和軸高度計算出梁的撓度分布。本文僅考慮簡支梁的位移監測，簡支梁的共軛梁即為其本身，計算模型如圖2所示。由共軛梁法的定義可知：

(1)

其中，K(x)為實際梁曲率分布；M(x)為實際梁彎矩分布；ε(x)為實際梁應變分布；EI為梁截面抗彎剛度；z為實際梁上傳感器的位置到截面中和軸的距離；q′(x)為共軛梁等效荷載分布。

則梁上第i單元的曲率為：

(2)

(3)

將l=L/n代入公式可以得到實際梁對應點變形vj：

(4)

(5)

2 基于長標距FBG傳感技術的混凝土梁變形識別

2.1 試驗概況

試驗模型如圖3所示，模型混凝土強度為C30，配筋采用HRB335熱軋鋼筋。采用四點彎曲加載的方式，加載點位于兩端支座間的三分點處，采用逐級加載的模式，每級荷載為10 kN。沿著梁縱向以支座處和加載點為分界將其劃分為3個長度單元，分別為單元1～單元3(E1～E3)，單元長度均為600 mm。在梁底部布設FBG，錨固點位于單元分界線的位置。同時在梁中點處和加載點處安裝了3個位移計(P1～P3)。對于每一級加載，FBG傳感器重復測量5次，并取平均值作為該級荷載下的測量數據。

2.2 應變測量結果

圖4a)～圖4c)分別給出了通過FBG傳感器得到的混凝土梁各單元應變監測結果。可見隨著荷載逐級的增大，混凝土底部的應變逐漸增大。圖中荷載應變曲線存在兩個明顯的轉折點。當荷載等級小于40 kN～50 kN時，混凝土梁處于線彈性狀態，其底部應變量隨著荷載的增大而略有增大；當荷載等級達到50 kN時，荷載應變曲線的斜率明顯減小，這說明此時混凝土梁底部發生了開裂現象，導致應變的增長速率增大，此外應變量隨著荷載的增大幾乎保持線性增大；當荷載等級達到150 kN時，荷載應變曲線的斜率進一步的減小，此時應變隨著荷載的增大而極速增大，這說明此時梁底部受拉區的縱向鋼筋發生了屈服，若進一步加載混凝土梁將發生全面破壞。通過上面分析可知，荷載應變曲線斜率的變化能夠準確的反映混凝土梁在不同荷載作用下的工作狀態。

2.3 變形監測結果

假設混凝土梁的中和軸位于截面中間位置，即中和軸高度y=150 mm。在試驗過程中，僅在梁底面布設了FBG傳感器。把各單元監測到的平均應變、中和軸高度以及FBG傳感器標距長度代入式(4)，則可以得到各級荷載下梁不同位置處的變形，如圖5所示，為了進行對比分析，圖中還給出了通過位移計實測得到的變形結果。在荷載等級較小時，混凝土底部未出現開裂現象，此時各單元的應變監測值相對較小，由FBG傳感器監測的變形與位移計實測的結果存在較大的差別。當荷載等級達到50 kN時，混凝土底部出現了開裂現象，此時FBG傳感器變形監測結果與位移計實測結果的差別明顯減小，且各單元的位移隨著荷載的增加而線性增大。隨著荷載等級的進一步增長，裂縫寬度也隨之不斷增大，使得FBG傳感器的應變重分布現象越發明顯，從而對位移監測的精度產生一定程度上的影響。因此在實際監測工作中，傳感器錨固點的位置盡可能避開裂縫最易開展的位置。當荷載超過90 kN之后，混凝土梁進入全面破壞狀態，此時中和軸位置迅速上移，中和軸高度恒定的假定也將失效。若繼續假定中和軸位于截面中間位置，必將一定程度上導致變形監測結果大于實際變形，且監測誤差隨著荷載的增大不斷增大。當荷載達到150 kN時，P1～P3點變形監測誤差分別達到了30%,43%和12%。

3 結語

本文采用高耐久性的玄武巖纖維材料對FBG進行了封裝，并利用分布式FBG傳感系統獲取了分布式應變，進而采用基于共軛梁法的變形計算算法實現了結構的變形監測。以一簡支混凝土梁為研究對象進行了試驗驗證，結果表明由長標距FBG傳感器所測應變計算得到的結構變形與位移計的實測結果吻合良好；在實際監測工作中，傳感器錨固點的位置盡可能避開裂縫最易開展的位置。