基于光纤bragg光栅的钢-混凝土组合桥面板模型损伤检测

基于光纤bragg光栅的钢-混凝土组合桥面板模型损伤检测

钢-混凝土联合桥面板是一种新型的桥面板结构。通过焊接钢带的螺钉和预制pbl剪切力坚定器将钢带和混凝土结合起来，可以显著减少大桥的重量。显然钢和混凝土的整体性直接影响桥面及铺装层的工作状态,从而影响大桥结构的耐久性和行车的舒适性。为此,需用钢-混凝土组合桥面板模型试验,研究在疲劳荷载作用下混凝土与钢板的粘附性及混凝土的抗疲劳开裂特性。钢-混凝土组合结构的破坏形式主要表现为以下3种类型:(1)滑移:混凝土与钢板之间沿界面的滑移;(2)掀起(脱空):混凝土掀起,即混凝土与钢板交界面处脱空;(3)裂缝:混凝土开裂。按断裂力学理论,桥面板的裂缝属于混凝土材料的张开型断裂,滑移为钢-混凝土界面的滑开型断裂,掀起为钢-混凝土界面的张开型断裂。对于钢板和混凝土界面损伤的准确检测,一直是工程检测的一个难题,因为损伤发生部位的随机性,要求传感器具有分布式检测能力,除此之外,传感器还须同时对钢和混凝土两者的状态敏感。常规的点式电测仪器,比如应变片,对此无能为力,目前,国内外还没有适当的测量方法。对于裂缝的检测,传统的电阻应变片传感元件,受环境影响较大,有温漂和零漂的影响;振弦式传感器由于钢弦蠕变的原因,其长期稳定性欠佳;且二者均不适用用于钢-混凝土界面损伤的检测。近年来发展起来的光纤Bragg光栅(FBG)传感器用于结构应变检测,经国内外大量实验证明其具有小型化,灵敏度高,响应快,测值可靠,准分布式检测,无零漂,无电磁干扰等优点而成为智能结构长期健康监测的首选[3~9]。为此,在模型试验中采用了20只特制的高精度光纤Bragg光栅传感器,圆满完成了钢-混凝土组合桥面板模型试验中的损伤测试,测试数据翔实,规律性良好,与试验的宏观现象彼此吻合。1传感器原理、选择和切换1.1应变值的确定光纤Bragg光栅(FBG)能够对特定波长的光发生反射,此波长称为该FBG的中心波长(Bragg波长)。若光栅承受轴向应变ε,会使中心波长发生偏移ΔλB,且有:式中,λB为反射光中心波长,eP为有效光弹系数。故采用相应的解调仪(谱分析仪或波长仪)测得ΔλB即可确定FBG埋设点的应变值。被检测材料受力后多会经历两个阶段:(1)弹性阶段:受力初期材料处于弹性阶段,传感器测得埋设点的应变值;(2)损伤阶段:当损伤发生后,传感器测得损伤值,如缝宽等(材料弹性应变已释放)。本试验成功的利用FBG传感器测出以上两阶段的临界点,并追踪损伤的发展过程,为桥面板组合结构的优化提供了可靠、有效的信息依据。1.2fbgron鉴于迄今尚无适用于界面损伤检测用的FBG传感器产品,根据组合桥面板实验的受力特点和模型情况,光纤传感器的选型设计如下:(1)FBG滑移传感器(图1(a)),长60mm,在钢板顶面水平安装,其一端紧固结在钢板上,另一端嵌入混凝土中。(2)FBG掀起传感器(图1(b)),长60mm,在桥面板中竖直安装,两端分别固结在钢板和混凝土中。(3)FBG裂缝传感器(图1(c)),长500mm,借助预埋角钢水平安装在混凝土顶面。采用Instron_4302数字式拉伸试验机(美InstronCo.)对FBG裂缝传感器进行了检验。质检结果见图2,图中线条为拟合直线,从中可见,传感器线性度较好,表明成品质量合格。2fbg传感器测量本试验用的钢-混凝土组合桥面板模型长5.0m,宽2.4m,沿其纵轴线支承于工字形钢梁上,承受负弯矩,两侧为自由边界。桥面板底部钢板厚8mm,混凝土厚120mm(两翼)~200mm(中部),为C40钢纤维混凝土,钢纤维用量为100kg/m3。图3为传感器安装示意图。用5个滑移传感器(h1∼h5)测量工字形钢梁上翼板顶面与混凝土界面的纵向应变值(滑移出现前)或纵向滑移量(滑移后),4个滑移传感器(h6∼h9)测量PBL剪力键侧面与混凝土竖向界面的横向应变值(滑移出现前)或滑移量(滑移后),2个滑移传感器(h10∼h11)测量钢板顶面与混凝土界面的横向应变值(滑移出现前)或滑移量(滑移后)。用5个掀起传感器(x1∼x5)沿模型中梁上翼板纵向分布,测量混凝土与中梁上翼板顶面界面处的垂向应变值(掀起出现前)或脱空量(掀起后)。由于模型试验混凝土裂缝的始发部位当出现在由负弯矩诱发的组合桥面板的高拉应力区,所以在该部位布置了4只FBG裂缝传感器(L1∼L4)。另埋入测温FBG传感器,做温度补偿用。试验采用了传统电测应变片与FBG传感器同时测量,以便进行对比。利用SI425型光纤光栅解调仪(美MOICo.)对FBG传感器信号进行解调。试验过程如图4所示。3fbg传感器纵向承载裂缝试验试验经历了3个阶段:静载阶段、300万次循环疲劳加载试验阶段、破坏试验阶段。静载试验阶段分为11个加载步,其荷载量各为:0—20—40—50—60—63.52—70—78.28—80—83.66—0(单位:kN),加载稳定时采集数据,共进行了三个循环。疲劳试验阶段施加等振幅谐波动荷载,各于振动1万—5万—25万—50万—100万—150万—200万—210万—255万—300万次后,再逐级(按前述静载阶段)施加静荷载进行数据采集。在静载和疲劳测试阶段,各个FBG传感器测值较小,且随着循环次数增加,测值呈递减趋势。这符合一般经验,其机理在于混凝土材料原生裂纹的压密。从疲劳循环1万次开始,混凝土表面有横向微裂纹出现,但直至疲劳阶段结束,模型表面并无纵向承载裂缝出现。由于测值远小于普通混凝土的极限拉应变(约150με),说明在静载和疲劳阶段,模型处于弹性工作阶段,尚无断裂损伤出现。破坏试验阶段,FBG裂缝传感器测值变化过程见图5。图5显示:在前期的破坏试验中,FBG裂缝传感器(L1、L2、L4)的测值随加载增长的变化曲线在120kN附近出现了拐点(L1、L2、L4各位于跨中面板的左右对称两侧)。此时,L4读数以应变表示为87με。当即目视检查混凝土表面,在FBG裂缝计L4布控区域未发现纵向承载裂缝。荷载135kN时,FBG传感器测值继续明显增大,L4读数以应变表示为115.6με,相应位置的千分表读数反应明显,目视仍未发现纵向承载裂缝。至150kN时,目视发现L1、L2、L4传感器下方均已有连通的纵向裂缝,见图6。综上可以判识,纵向承载裂缝开始于荷载120kN时,缝宽0.039mm,相应的应变值为87με,位于传感器L4所在位置处。紧接着传感器L1、L2布控处出现纵向承载裂缝,目视未见裂缝的原因在于初始裂缝太细。荷载150kN时L1、L2和L4三个传感器下方连通的纵向缝开始显现,此后随着荷载增加,裂缝不断发展,300kN荷载时,L3传感器布控部位开始开裂,至844kN时,四传感器测得的缝宽(多条裂缝总和)分别为:2.00mm、1.78mm、1.19mm和2.04mm。以传感器L4布控的跨中右侧部位应变最大,其次为L1和L2布控区域,传感器L3布控部位应变最小,与应变片电测结果基本吻合。破坏阶段滑移传感器h1~h5测值变化过程见图7。测值明显的反映了传感器布设位置的对称性。直至破坏实验终结,滑移传感器(h1~h5)的测值(绝对值)始终小于40με,表明其布控区域始终未出现滑移损伤。布设在跨中右侧部位的FBG滑移传感器h10、h11在破坏阶段测值见图8。图中采用了双纵坐标,在滑移出现前,应按左纵坐标读应变值,滑移后,应按右纵坐标读滑移量。图中↑所示处为滑移出现的临界点。图8显示直至加载至220kN,FBG滑移传感器(h10、h11)测值均按原先的规律平缓增长,当加载至250kN时,不仅测值骤增,而且变化规律也打破了原先的趋势。传感器h10继续保持为负值,此刻的应变值(绝对值)为75με,而h11则改变为正值。在试验过程中,发现读数骤增时,试验人员随即开展目视检查,当时发现模型跨中部位右侧面出现了一段长约30cm的滑移缝,说明此时FBG传感器h10布控点已出现滑移损伤,滑距为0.0045mm。为混凝土与钢板水平界面的横向滑移。经综合数据分析,判断经历了300万次循环疲劳加载之后,钢-混凝土组合桥面板结构出现滑移损伤的临界应变值为75με。众知,普通混凝土的极限拉应变一般约为150με,加入钢纤维诚然会使该值提高一些,但纤维对于钢-混凝土界面的极限拉应变并无助益。无疑在该界面上拉应变极限值会低于混凝土内部,而疲劳荷载又使该值进一步降低,实测值75με符合一般经验。当加载300kN时,h10滑移传感器布控处滑距增大为0.006mm,传感器h11布控点应变值超过75με,该点也开始滑动。其后,h10与h11滑移增长趋势分别发展:h10渐趋于0.008mm;而h11则持续增长,模型右侧面暴露的滑移缝随加载增长而逐步扩展。PBL剪力键上四个滑移传感器(h6~h9)破坏阶段的测值见图9。显示荷载250kN时,滑移传感器h7应变值达到86με时(首次超过75με)开始出现滑移,相应滑距为0.0052mm。传感器h8在荷载为393kN时出现滑移(应变值为105με),滑距为0.0063mm。从结构部位对称性的角度,滑移传感器h6与h9对称,h7与h8位置对称,图9显示的测值量级和变化规律与之恰相呼应。4静载与疲劳试验采用光纤Bragg光栅传感器首次完成了钢-混凝土组合桥面板模型断裂损伤检测。FBG检测系统由20只特制的高精度光纤光栅应变传感器和光栅解调仪SI425(美MOICo.)组成,按本项测试的特点进行了光纤传感器的选型设计及安装,传感器全部存活。光纤检测系统经历了静载-疲劳-破坏三个加载阶段而保持全程正常工作,特别是经受了300万次循环加载疲劳荷载等极限状态的考验。综上表明,光纤光栅传感器及系统易于安装,存活率高,检测方便,质量优良,可靠耐用。在静载与疲劳试验阶段中,模型处在弹性阶段,钢-混凝土界面未出现滑移、掀起损坏,混凝土未出现承载纵向裂缝,光纤系统检测到各级荷载产生的应变值,表明组合板的承载能力和结构性能优良。在模型破坏试验中,光纤传感系统定量地、精细地检测到滑移、掀起和纵向裂缝三种损坏现象和分布以及发展