預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)FBG 螺旋筋的研制

摘 要： 預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)的應(yīng)力集中復(fù)雜，其承載和抗裂性能對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的安全耐久至關(guān)重要。針對錨固區(qū)應(yīng)力應(yīng)變檢測難題，在其螺旋筋中徑位置嵌入分布式的FBG，制備能可靠監(jiān)測環(huán)向應(yīng)變的FBG 螺旋筋，并按國標(biāo)GB/T 14370—2015 對M15-9 型錨具錨固區(qū)進行三組荷載傳遞試驗。試驗結(jié)果表明：FBG 螺旋筋的全部測點均存活有效，能夠全程跟蹤錨固區(qū)應(yīng)力變化；隨著荷載的增加，其內(nèi)部拉應(yīng)變逐漸增大，在1.2 倍極限荷載下實測出三個試件的螺旋筋實際最大拉應(yīng)變分別為777.15、710.29、785.50 με，其應(yīng)力均未超過其材料屈服強度，螺旋筋尚處于彈性變形階段。在0.6～0.8 加載過程中，試件側(cè)表面開始出現(xiàn)豎向劈裂裂縫；1.0～1.2 加載過程中，首條裂縫均發(fā)展為主裂縫，同時加載端面出現(xiàn)斜裂縫，裂縫寬度最大值為0.15 mm，均滿足規(guī)范要求。FBG 螺旋筋應(yīng)變傳感器可為錨固區(qū)的服役期應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、預(yù)警及其設(shè)計方案提供一種有效手段。

關(guān)鍵詞： 預(yù)應(yīng)力錨固區(qū); FBG 螺旋筋應(yīng)變傳感器; 荷載傳遞試驗; 應(yīng)力應(yīng)變; 豎向劈裂裂縫

中圖分類號： TB9; TP212 文獻標(biāo)志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）10–0113–07

0 引 言

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的破壞大多是預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)失效引起的，可靠的錨固區(qū)設(shè)計是保證預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。螺旋筋對錨固區(qū)的抗壓承載和抗劈裂性能具有發(fā)揮作用[1]，為保障錨固區(qū)的工作運行安全，研制了FBG 螺旋筋，對評估錨固區(qū)傳力性能與安全耐久性有重要的價值。

目前對2200 MPa 級預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)螺旋筋中應(yīng)力分布的研究較少[2]，國內(nèi)針對錨固區(qū)的應(yīng)變測量局限于混凝土表面推測或僅限于有限元模擬，通過試驗實測出錨下混凝土內(nèi)部真實的應(yīng)力應(yīng)變分布情況是很有必要的。CERVENKA[3] 等通過對錨固區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，得出螺旋筋中應(yīng)力遠低于其材料屈服強度，但未實測出其內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變情況。為探究螺旋筋的實際拉應(yīng)變分布情況對預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)的影響，引入光纖傳感技術(shù)為實測螺旋筋內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變提供了借鑒思路。因FBG 具有抗電磁干擾、耐腐蝕、高精度等優(yōu)點，使其成為一種工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的手段，比如在索力檢測[4]、承載力監(jiān)測[5]、結(jié)構(gòu)應(yīng)變在線監(jiān)測[6] 等方面得到廣泛應(yīng)用。DERKOWSKI[7]、ZDANOWICZ[8] 等通過試驗分析了靜態(tài)DFOS（分布式光纖傳感）應(yīng)變傳感器對預(yù)應(yīng)力混凝土梁的應(yīng)變測量效果，并在直筋表面開槽通過縱肋布設(shè)光纖，研究發(fā)現(xiàn)該DFOS 具有極高的空間分辨率，能同時分析鋼筋縱向和橫向應(yīng)變，還能檢測裂縫寬度，采用單層光纖測量性能最佳。CHO[9]等通過智能鋼絞線檢測了預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力分布，該方法可信度達95%，說明利用智慧光纖監(jiān)測應(yīng)力分布是可靠的。LI[10] 等在鋼筋表面螺旋分布布設(shè)裸光纖傳感器，通過試驗驗證了螺旋纖維應(yīng)變與防護層厚度有關(guān)。裸光纖屬于脆性材料，應(yīng)注意封裝保護。杜翠翠[11] 等設(shè)計了金屬封裝式FBG 傳感器，通過應(yīng)變傳遞試驗得到其平均應(yīng)變傳遞率高達98.15%，相比裸光纖，封裝光纖同樣具有很高的應(yīng)變傳遞率。相對金屬封裝材料，吳禹希[12]、周智[13] 等提出一種GFRP（玻璃纖維增強聚合物）封裝的FBG 應(yīng)變傳感器，采用夾片式錨具對封裝光纖進行錨固，隨著混凝土基體的蠕變發(fā)展傳感器的平均應(yīng)變傳遞率會漸漸降低。朱萬旭[14]、覃荷瑛[15] 等通過開槽內(nèi)嵌FBG 的封裝形式制成自感知鋼絞線，準(zhǔn)確檢測出鋼絞線內(nèi)部張拉應(yīng)變，解決了FBG 封裝存活率低的問題，并通過理論得到FBG 與基體之間的應(yīng)變傳遞率。綜上參考，引入光纖傳感技術(shù)為監(jiān)測螺旋筋內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變是科學(xué)可行的。

為此，本文在螺旋筋上表面開槽嵌入布拉格光柵并用環(huán)氧樹脂封裝制成了FBG 螺旋筋應(yīng)變傳感器，通過荷載傳遞試驗實測出螺旋筋內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變，為錨固區(qū)安全預(yù)警及其優(yōu)化設(shè)計提供可行方案。