無封裝FBG 應變傳感器在樁基試驗中的標定研究?

朱懷龍，劉俊杰，朱碧堂?

(1.江西交通職業技術學院建筑工程學院，江西 南昌 330013；2.華東交通大學江西省巖土工程基礎設施安全與控制重點實驗室，江西 南昌 330013；3.江西省地下空間技術開發工程研究中心，江西 南昌 330013)

近年來樁基礎的健康監測得到了較大的發展，以往采用的是應變片或者應力計等對樁進行內力監測，考慮到在打樁過程中這些設備抗干擾能力差，導致測量數據不準確而不能滿足試驗精度要求，光纖光柵(Fiber Bragg Grating，FBG)應變傳感器由于抗電磁干擾能力強、測量精度高、體積小、耐腐蝕等優點而逐漸應用到土木工程領域[1－6]。

關于光纖光柵應變傳感器在樁基工程中的應用，國內外眾多學者進行了研究:Doherty 等[7]采用開凹槽的方法將光纖光柵應變傳感器安裝在直徑340 mm厚度為12 mm 的鋼管樁上，通過現場試驗驗證了光纖光柵應變傳感器測量樁身應變的可行性。Buckley等[8]利用光纖光柵應變傳感器對打樁過程中產生的樁身應力進行監測，試驗結果表明FBG 測量結果與常規PDA 測量結果相接近。Schmidt-Hattenberger等[9]為了監測靜態加載過程混凝土樁的變形，采用FBG 應變傳感器和混凝土應變計對其進行監測，結果表明，FBG 傳感器和傳統的混凝土應變計測量結果大體一致，并且根據測量數據推導出了樁－土摩擦力對樁基極限承載力和結構沉降特性的影響規律。Baldwin 等[10]利用光纖傳感器對海洋復合樁基結構應力進行監測，試驗結果表明，光纖傳感系統能夠在惡劣的打樁條件下生存，并能監測復合樁在被打入地下時的應變。Kou 等[11]采用現場試驗的方法，利用FBG 傳感器對開口的PHC 管樁在液壓頂升機打入過程中對樁身進行應力監測，研究結果表明，光纖光柵傳感系統適用于PHC 管樁安裝過程中應變狀態的監測，并且試驗的軸力和側向剪應力受到穿透深度和局部土壤阻力的影響。王靜等[12]通過現場靜載試驗，采用FBG 傳感器研究了透水管樁在靜壓過程中樁身應變分布規律。張必勝等[13]通過采用應變片和FBG傳感器對混凝土方樁在靜壓模型試驗中進行樁身應變測試，研究結果表明，FBG 應變傳感器測得的數據精確性和穩定性要高于應變片。朱友群等[14]通過采用室內模型試驗，利用FBG-BOTDA 聯合監測技術測量管樁在打入過程中樁身應變變化規律。以往關于光纖光柵應變傳感器的研究主要在于其應用方面，而對于其應用前靈敏度系數的標定研究較少。然而，FBG 應變傳感器在應用時由于封裝、黏貼劑黏貼等安裝方式會造成FBG 傳感器本身的應變靈敏度系數發生變化[15]，從而影響測量數據的準確性，為了得到真實的監測數據，需要對FBG 應變傳感器進行應變靈敏度系數的標定。

基于此，本文通過表面黏貼的方式安裝光纖光柵傳感器以測量打樁過程中海上風電樁基的應變，為了使得測量的數據更為精確，筆者通過自主研制的標定裝置對模型樁進行應變靈敏度系數標定，并對標定結果與理論結果進行對比分析，為后續沉樁試驗模型樁的應變監測提供可靠精確數據保證。

1 FBG 應變傳感器工作原理

FBG 是在光纖纖芯內折射率呈周期性調制的一種光纖傳感組件，當一束寬帶光入射到光纖光柵中心時，折射率的周期性結構使得某特定波長的窄帶光被反射，被反射回去的中心波長為λB＝2neffΛ，neff為光纖光柵的有效折射率，Λ為光柵周期。當Λ和neff受到應變和溫度的影響會引起FBG 中心波長的變化，同時，光彈效應也會引起光柵折射率變化，被測物體的應變和溫度變化都會引起FBG 中心波長的變化[16]:

式中:ΔλB為光纖光柵中心波長的偏移量。

由彈性力學及彈光效應等理論，式(1)可寫成:

式中:P11和P12為光纖光柵的光彈系數，μ為泊松比，ε1為軸向應變，αs為熱光效應，ξs為熱膨脹效應，ΔT為溫度的變化量。

上述公式簡化為:

外界溫度恒定不變，可知ΔT＝0，則有:

式中:ε2光柵應變。

針對于普通單模石英光纖，光彈系數Pe約為0.22，由于FBG 應變傳感器的中心波長為1 510 nm～1 590 nm，通過式(4)計算得出FBG 傳感器應變靈敏度系數平均值為1.2 pm/με

2 FBG 應變傳感器標定方法

采用圓形無縫鋼管(模擬鋼管樁)作為基體進行試驗，標定方法主要是通過自主設計研制的標定裝置對鋼管進行加卸載，利用材料力學知識可以得出樁身的應變，從而實現對FBG 應變傳感器的標定。

鋼管為長薄壁圓管，管樁受軸向壓力的作用下，根據材料力學原理可得，模型樁加載兩端之間等截面應力為:

式中:σ為施加在鋼管樁上的應力，F為標定裝置輸出的力，R為鋼管樁的外徑，r為鋼管樁的內徑。

根據胡克定律可得:

式中:ε為鋼管樁產生的應變，E為鋼管樁的彈性模量。

根據以上公式可得FBG 應變傳感器的靈敏度系數為:

3 FBG 應變傳感器標定試驗

3.1 試驗FBG 傳感器簡介

試驗所用得的光纖為普通單模石英光纖，裸光柵由光柵區、纖尾和FC 接頭等組成，具體如圖1所示，光柵區間隔為12 mm，柵區長度為10 mm，試驗共計2 串FBG 應變傳感器，其名稱分別為FBGChannel－A 和FBG－Channel－B，每串光纖共計10個光柵，即10 個測點，FBG－Channel－A 測點編號用FBG－A1 到FBG－A10 表示，FBG－Channel－B 測點編號用FBG－B1 到FBG－B10 表示，測點在模型樁安裝位置具體見圖2，光纖光柵的初始波長如表1所示。

圖1 無封裝FBG 應變傳感器圖

圖2 FBG 在圓形鋼管上布設的三維示意圖

3.2 FBG 在鋼管上的布設方案

試驗所用的模型樁采用的是外徑為273 mm的無縫鋼管，模型樁的具體參數如表2 所示，在模型樁對稱的外表面通過表面黏貼的方法布設FBG 應變傳感器，共計2 串，每串光纖光柵應變傳感器共計10 個光柵，光柵的布設采用下密上疏的原則布設，光柵在模型樁具體安裝位置如圖2 所示。

表2 模型樁參數

3.3 FBG 在鋼管上的安裝

考慮到裸光纖串較細，在安裝及沉樁試驗時容易損壞，因此要對光纖進行保護，圖3 為FBG 安裝圖，具體安裝步驟如下:

圖3 FBG 安裝過程圖

①表面除銹:用打磨機械除去樁身表面的鐵銹，然后用干抹布擦凈；

②樁身定線:在樁身量取十字對稱線，用白色記號筆標出，定出模型樁兩側對稱的預訂布設線路，再標出光柵區的位置；

③焊接鋼條:在距鋪設光纖位置的兩邊1 cm 處沿樁身焊接寬3 mm、厚3 mm 的鋼條，鋼條的作用是為了在打樁過程中對光柵進行保護防止遭到破壞；

④拋光打磨:用細砂紙在樁身安裝光柵位置進行拋光打磨；

⑤光纖黏貼:沿樁身布設裸光纖光柵，保持光纖筆直，不應彎曲纏繞。先用膠帶固定拉緊光纖從而對光柵形成一定的預拉，在光柵位置涂抹502 膠，再用熱風搶使502 膠快速凝固，待凝固后再涂抹一層厚度約為0.6 mm 的環氧樹脂。等待24 h 環氧樹脂凝固后，方可移動模型樁繼續鋪設另一面光纖；

⑥成活率統計:等所有線接好后，將光纖光柵串的接頭連接解調儀系統上，對光柵進行初始檢測，判斷FBG 應變傳感器是否安裝成功，光柵成活率是否100%，為后續試驗打好基礎。

3.4 標定裝置的設計與制作

由于模型樁尺寸較大，采用傳統的萬能壓力機已經不能滿足試驗要求，為此，筆者設計研發了光纖光柵標定的加載裝置，加載裝置由油缸、油泵、加載平臺、反力撐、斜撐和T 型托架等組成，具體如圖4所示。其中，加載裝置長約5 m，加載平臺、反力撐、斜撐和直撐均為工字型鋼。其工作原理是通過油泵使得千斤頂產生推力，再通過加載板給模型樁進行橫向加載，在送油管道上安裝了電子數據顯示表和機械數據顯示表，可讀取施加給模型樁的壓力，并且兩個數顯表之間的數據可進行相互校核。為了盡可能減少誤差，需注意兩個問題:①將加載板焊接在加載桿上保證加載板底部不與平臺接觸從而產生摩擦力；②T 型托架與鋼管接觸的位置需涂上潤滑油以減小模型樁與T 型托架的摩擦。

圖4 標定裝置示意圖

3.5 標定步驟

圖5 為標定試驗圖，具體標定步驟如下:

圖5 標定試驗圖

①通過行吊將需要標定的模型樁放置標定平臺的T 型托架上，并用水平尺檢查模型樁是否放置水平，若未水平通過調整T 型托架的高低從而可達到水平；

②打開油泵閥門使油缸頂推模型樁，頂推后卸載，查看鋼管樁兩端是否密貼反力鋼板，重復2 到3次，然后再次調整直到加載板緊貼模型樁一端；

③將FBG 接口連接到光纖光柵的解調儀上，打開電腦軟件，調整好參數，再打開油泵閥門進行加卸載，先進行一次預壓，待10 min 后卸載為0，再進行正式加載，加載分6 級進行，加載等級分別為94.2 kN、188.4 kN、282.6 kN、376.8 kN、471 kN 和565.2 kN；每加載一級后進行保載約2 min，直至結束；同時，記錄解調儀上光纖光柵中心波長的變化。

3.6 標定結果分析

圖6 所示為鋼管樁在逐級加載過程中光柵中心波長變化曲線，考慮到論文篇幅有限，僅列出測點編號為FBG－A10(樁頂)、FBG－A6(樁中)和FBG－B3(樁底)的光柵波長變化曲線進行分析。由圖可知，隨著荷載逐級增加，光柵波長呈現階梯型變化且逐級減小，如光柵編號為FBG－A6 的初始波長為1 548.3 nm，當加載到565.2 kN 時，波長變為1 547.7 nm，這是由于鋼管在加載過程中鋼管樁產生壓縮變形導致光柵波長變小，當荷載卸載為0 時，光柵波長也大致回到初始波長。并且在每級加載時中心波長的變化相差不大，如FBG－A10，從0 逐級加載到565.2 kN，每級加載時中心波長變化量分別為:－103 pm、－109 pm、－106 pm、－115 pm、－117 pm、－96 pm。

圖6 鋼管樁在加載過程中光柵波長變化曲線

取每級加載數據穩定后所對應的光柵中心波長為縱坐標，理論計算所得鋼管的應變為橫坐標繪制圖形。圖7 所示為20 個FBG 應變傳感器在逐級加載下中心波長和標定應變下的關系曲線，FBG 應變傳感器的中心波長為三組平行試驗下的平均值，由圖可知，在不同加載等級下標定應變與FBG 應變傳感器中心波長呈較好的線性關系，采用直線方程y＝Kεx＋b(Kε為試驗標定應變靈敏度系數)對試驗數據進行線性擬合，表3 和表4 分別記錄了兩串FBG應變傳感器的標定系數，表中理論的應變靈敏度系數通過式(4)(試驗所用光纖為普通單模石英光纖，Pe取0.22)計算所得。由表可知，試驗標定結果與理論值較存在較大差異，除了個別點，如編號FBGA1、FBG－A3 和FBG－A7 的試驗值比理論值稍大外，其余點均小于理論值，主要原因是在布設FBG應變傳感器時，黏貼劑的膠貼層導致鋼管加載過程中應變傳遞不充分，導致試驗值偏小，光纖串FBGchannel－A 和FBG－channel－B 中誤差最大的測點編號為A3 和B10，誤差率分別為＋6.76%和－6.25%。

表3 FBG－channel－A 標定結果

表4 FBG－channel－B 標定結果

圖7 鋼管FBG 波長變化與應變之間關系

綜上所述，經過標定的FBG 應變傳感器的靈敏度系數與理論的FBG 應變傳感器靈敏度系數存在一定的差異，總體而言，試驗標定的FBG 靈敏度系數偏小，主要原因是FBG 應變傳感器在實際安裝過程中由于黏貼劑的膠貼層導致應變傳遞不充分，因此，FBG 傳感器在實際的應用中，為了減少試驗誤差而獲得較為真實的數據應對FBG 應變傳感器進行標定。

4 試驗數據分析

取鋼管樁的光纖測點FBG－A10、FBG－A6 和FBG－B3 進行分析，為了與FBG 應變傳感器進行對比，在其測點附近布設應變片，如圖3 所示，采用DH3816N 靜態應力應變測試系統對應變片進行數據采集。圖8 為FBG 應變傳感器和應變片在不同荷載下的監測結果圖，圖中FBG 應變傳感器所測得的應變是通過加載時波長變化和標定后的靈敏度系數換算得到。由圖可知，一方面，FBG 傳感器和應變片所得到的應變與理論值接近，兩種傳感器所測得的結果線性較好，然而FBG 傳感器所測得數據的精確度要高于應變片所測得的數據；另一方面，FBG傳感器的測量值與理論值相比偏小，尤其是在初次加載，如施加荷載為94.2 kN 時，光柵編號為FBGA10、FBG－A6 和FBG－B3 的實測應變分別為－66.18 με、－68.30 με 和－53.84 με，應變損失率分別為25.77%、23.39%和39.61%，綜上可知，該部分應變損失是由于安裝時封裝、黏貼層等原因引起的。

5 結論

本文采用了無封裝的FBG 應變傳感器對模型樁沉樁過程進行應變監測，為提高FBG 應變傳感器的測量精度，通過自主設計并研制出標定裝置對模型樁進行靈敏度系數的標定試驗，同時，在模型樁光柵測點附近安裝電阻式應變片，將FBG 傳感器與電阻應變片測量數據進行對比分析，得出以下結論:①采用FBG 傳感器測量模型樁的應變，由于安裝時的封裝、黏貼劑等會導致FBG 傳感器的靈敏度系數發生變化，總體而言，標定的應變靈敏度系數要小于理論值。因此，試驗前需對FBG 傳感器進行標定；②FBG 應變傳感器測量模型樁應變的精確度要高于電阻應變片，但對應無封裝FBG 傳感器在現場惡劣的施工環境下容易遭到破壞，需要根據試驗精度要求合理選擇傳感器；③通過對FBG 應變傳感器進行模型試驗前的標定，可以得到準確反映鋼管樁受力變形特性，為后續模型試驗數據的真實性提供了保障。