毛江鴻，何 勇*，金偉良，邵劍文

(1.浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所，杭州310058 2.浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院，杭州 310027)

分布式光纖應(yīng)變傳感技術(shù)具有分布式、高精度、實時性等特點，非常適用于大型土木工程結(jié)構(gòu)的分布式應(yīng)變檢測，已在橋梁檢測［1］、隧道健康診斷［2－3］、海底管道監(jiān)測［4］、建筑物健康監(jiān)測［5］等領(lǐng)域得以應(yīng)用。結(jié)構(gòu)健康狀況診斷和評估時，應(yīng)變信息的精確性決定了其有效性和準(zhǔn)確性。分布式光纖傳感技術(shù)由處理應(yīng)變信號的主機及感應(yīng)結(jié)構(gòu)應(yīng)變信號的分布式光纖傳感器組成，其中主機測量精度由儀器自身技術(shù)參數(shù)控制［6］，而分布式光纖傳感器對結(jié)構(gòu)應(yīng)變的感應(yīng)能力因埋設(shè)工藝、傳感光纖特性、傳感器結(jié)構(gòu)特征而不同。目前，分布式光纖傳感器主要通過在結(jié)構(gòu)物表面開鑿鋪設(shè)，亦可附著在鋼筋表面［7］進行監(jiān)測，采用 FRP 筋［8］和氣吹－灌漿技術(shù)［9］是目前將傳感光纖埋入混凝土內(nèi)部較為有效的方法。各種形式的分布式光纖傳感器結(jié)構(gòu)模型主要由包層、涂覆層、護套層、填充層(粘結(jié)層)、微管層等中間層組成，且針對不同施工環(huán)境需選擇不同中間層厚度及材料。由剪滯理論［10］可知，結(jié)構(gòu)應(yīng)變通過各中間層剪切作用傳遞至傳感光纖纖芯，部分應(yīng)變由于中間層彈性模量差異被損耗;李宏男等人［11－12］引入光纖傳感器中點與基體應(yīng)變變化率相同的假設(shè)，推導(dǎo)得到多層界面應(yīng)變傳遞公式;高俊啟［13］通過理論研究分析了護套層和涂覆層對分布式應(yīng)變測量精度的影響;劉德華［14］通過有限元分析了光纖傳感器的中間層厚度及彈性模量對應(yīng)變傳遞的影響。上述理論研究闡明了分布式光纖應(yīng)變傳遞原理并指出中間層厚度及彈性模量會影響光纖傳感器的應(yīng)變感應(yīng)能力，但尚需試驗進行驗證。浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所通過理論分析和試驗，研究了采用氣吹－灌漿技術(shù)研制的埋入式分布式光纖傳感器的工作性能，然而該傳感器僅適用于新建結(jié)構(gòu)監(jiān)測［15］。對于已建結(jié)構(gòu)，常通過在結(jié)構(gòu)物表面開槽后采用粘結(jié)劑布設(shè)傳感光纖，形成表面式分布式光纖傳感器。兩種形式的分布式光纖傳感器均為多中間層傳感器模型，具有相同的應(yīng)變傳遞原理。因此，為完善分布式光纖傳感技術(shù)在土木工程健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用，需通過理論和試驗系統(tǒng)研究適用于不同工程結(jié)構(gòu)特點的光纖傳感器的工作性能。

本文介紹了基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)和分布式光纖傳感器的多中間層的應(yīng)變傳遞原理，并分析了中間層物理參數(shù)改變對光纖傳感器應(yīng)變傳遞性能的影響。對由不同物理特性的傳感光纖、粘結(jié)劑以及不同厚度填充層組成的分布式光纖傳感器進行了試驗研究，為工程應(yīng)用過程中分布式光纖傳感器的優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 分布式光纖應(yīng)變檢測方法

1.1 分布式光纖傳感技術(shù)

基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)利用光纖應(yīng)力和溫度變化引起布里淵散射光中心頻移改變這一特性，實現(xiàn)長距離光纖的應(yīng)變和溫度檢測。光纖的布里淵頻移量與光纖應(yīng)變、溫度之間存在線性關(guān)系，其關(guān)系如式(1)所示［16］:

式中，νB(0)為初始應(yīng)變、初始溫度時布里淵中心頻率，νB(ε，T)為在應(yīng)變 ε、溫度T時布里淵頻移量，dνB/dT溫度比例系數(shù)，dνB/dε 為應(yīng)變比例系數(shù)，TT0為光纖溫度差;ε為光纖應(yīng)變變化量。

1.2 分布式光纖傳感器埋設(shè)工藝

目前，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域中采用的應(yīng)變傳感光纖需在涂覆層外添加護套層，以防止施工過程中的機械破壞。對于表面粘結(jié)形式的分布式光纖傳感器，結(jié)構(gòu)存在包層、涂覆層、護套層及粘結(jié)層，共四個中間層(圖1a)。采用氣吹－灌漿技術(shù)的鋪設(shè)分布式光纖傳感器，存在包層、涂覆層、護套層、水泥漿填充層及微管層，共五個中間層(圖1b)。

圖1 分布式光纖傳感器結(jié)構(gòu)圖

1.3 分布式光纖傳感器應(yīng)變傳遞原理

由上述分析可知，兩種傳感器鋪設(shè)工藝將形成不同結(jié)構(gòu)形式的光纖傳感器，從而使得表現(xiàn)出不同的應(yīng)變監(jiān)測性能。分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)變感應(yīng)元件為光纖纖芯，結(jié)構(gòu)基體應(yīng)變通過剪力傳遞至纖芯，兩種結(jié)構(gòu)形式的分布式光纖傳感器均可采用多中間層剪滯理論模型［10－14］建立應(yīng)變傳遞公式，其結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。圖中，τ代表各中間層在接觸面上的剪應(yīng)力，σ表示由剪應(yīng)力引起的光纖軸向的正應(yīng)力值;dσ為沿光纖長度方向的軸向正應(yīng)力增量;r為各中間層的半徑，其中下標(biāo)f、t、h、n和w分別表示纖芯、涂覆層、護套層、填充層和微管層。

圖2 分布式光纖傳感器應(yīng)變傳遞原理圖

理論模型分析時，引入如下假定:(1)各中間層材料為線彈性，光纖不直接承受外力，通過中間層剪應(yīng)力使其產(chǎn)生應(yīng)變;(2)纖芯和包層物理特性相同;(3)各粘結(jié)層之間粘結(jié)緊密，不存在相對滑移。

根據(jù)多中間層剪滯理論［11－12］，并采用上述假定得出光纖與基體之間的應(yīng)變傳遞公式:由分布式光纖傳感技術(shù)原理可知，采樣點應(yīng)變是其空間分辨率長度范圍內(nèi)光纖應(yīng)變的綜合反映，

空間分辨率以外的光纖應(yīng)變對采樣點的應(yīng)變不存在影響，在文獻［15］中建立了采樣點的平均應(yīng)變傳遞率公式為:

其中

式中，x為采用點的空間位置，εf(x)為纖芯應(yīng)變，εm為基體應(yīng)變，Ef、Ei分別為纖芯和中間層彈性模量，Gi為中間層剪切模量，ri為中間層半徑，L為1/2空間分辨率大小。

由上述可知，光纖采樣點平均應(yīng)變傳遞率和各中間層的物理性質(zhì)有關(guān)，改變中間層的彈性模量和外徑將引起采樣點獲取的基體應(yīng)變改變。本文從傳感光纖類型、粘結(jié)材料特性、微管材料等影響因素出發(fā)，通過理論分析和試驗研究系統(tǒng)分析分布式光纖傳感器應(yīng)變傳遞性能。

Design and Application of Remote Online Monitoring System for Transformer and Circuit Breaker CHEN Wenrui,CHEN Chuang,LIAO Xiaochun(132)

2 應(yīng)變傳遞性能理論分析

2.1 光纖特性影響

分布式光纖傳感技術(shù)的傳感光纖為普通單模光纖，無需對纖芯、包層及涂覆層進行特殊處理，但需依據(jù)鋪設(shè)環(huán)境設(shè)置不同的護套層厚度。因此，光纖特性對應(yīng)變傳遞性能的影響由光纖外徑改變引起，通過改變傳感光纖半徑，繪制應(yīng)變傳遞率同傳感光纖半徑的關(guān)系曲線，分析研究不同直徑光纖傳感器的應(yīng)變傳遞性能。模擬分析時，外徑10 mm(該值對應(yīng)后續(xù)試驗研究中凹槽深度)的粘結(jié)劑分別采用環(huán)氧樹脂和水泥砂漿，光纖護套層、環(huán)氧樹脂及水泥砂漿彈性模量分別設(shè)置為4 GPa、2.8 GPa和10 GPa，其余中間層參數(shù)可參見文獻［11］，其關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 平均應(yīng)變傳遞率與光纖外徑關(guān)系圖

由圖3可知，兩條關(guān)系曲線出現(xiàn)相反的變化趨勢，采用水泥砂漿粘結(jié)劑鋪設(shè)的傳感光纖隨著外徑增加其α值減小，而采用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑其α值變化趨勢相反，但變化幅度相對較為平緩。對于已建結(jié)構(gòu)，采用環(huán)氧樹脂等柔性粘結(jié)劑具有良好的粘結(jié)性能，此時選擇外徑較大的傳感光纖可獲取較高的測試精度;水泥砂漿等粘結(jié)劑具有較大的彈性模量，其應(yīng)變傳遞性能較好，選用外徑小的傳感光纖有利于提高應(yīng)變測試精度。

2.2 粘結(jié)材料影響

表面式光纖傳感器鋪設(shè)用的粘結(jié)劑較為常用的是環(huán)氧樹脂等彈性模量較低的橡膠類粘結(jié)劑，建筑結(jié)構(gòu)中也可使用水泥砂漿等硬質(zhì)粘結(jié)劑。通過改變粘結(jié)劑彈性模量繪制應(yīng)變傳遞率同粘結(jié)劑彈性模量的關(guān)系曲線。分析時傳感光纖分別采用外徑為900 μm和3 mm的緊套光纖，其護套層彈性模量為4 GPa，粘結(jié)層外徑為10 mm，關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 平均應(yīng)變傳遞率與粘結(jié)劑彈性模量關(guān)系圖

由圖4可知，外徑為900 μm和3 mm的傳感光纖的采樣點平均應(yīng)變傳遞率隨著粘結(jié)劑彈性模量增加而增大，最后趨近于穩(wěn)定。

由圖4可知，粘結(jié)劑分別采用環(huán)氧樹脂和水泥砂漿時，外徑900 μm的傳感光纖與外徑3 mm的傳感光纖的應(yīng)變傳遞率相差－0.013%和0.066%;由圖3可知，傳感光纖外徑分別采用900 μm和3 mm時，水泥砂漿與環(huán)氧樹脂鋪設(shè)的傳感光纖應(yīng)變傳遞率相差0.138%和0.069%。由此可知，光纖護套層與粘結(jié)層之間彈性模量的差值對應(yīng)變傳遞性能的影響較傳感光纖外徑差異的影響明顯。綜上所述，為獲取高精度應(yīng)變結(jié)果，表面式光纖傳感器最優(yōu)化的組合是采用同基體彈性模量相近(約為30 GPa)的硬質(zhì)粘結(jié)劑且鋪設(shè)小直徑傳感光纖。

2.3 填充層厚度影響

埋入式光纖傳感器需在混凝土澆筑前預(yù)埋微管，同時微管直徑的選擇需對結(jié)構(gòu)應(yīng)力場和結(jié)構(gòu)體型進行綜合考慮，采用不同外徑微管時填充層厚度改變將引起埋入式傳感器應(yīng)變傳遞性能的差異。而表面式光纖傳感器的填充層厚度和埋設(shè)過程中開鑿深度相關(guān)，粘結(jié)材料可選擇環(huán)氧樹脂或水泥漿。圖5模擬了填充層厚度對應(yīng)變傳遞的影響，該模型水泥漿填充層及微管層的彈性模量分別選用10 GPa和70 GPa，泊松比為0.25和0.3，傳感光纖采用 3 mm緊套光纖。

圖5 平均應(yīng)變傳遞率與填充層半徑關(guān)系圖

由圖5可知，采樣點平均應(yīng)變傳遞率隨填充層半徑增加而減小，由于微管層作用，在相同條件下，表面式光纖傳感器比埋入式光纖傳感器具有更好的工作性能。當(dāng)填充層半徑小于15 mm時，兩者的采樣點平均應(yīng)變傳遞率均大于95%，可認(rèn)為傳感器能有效地感應(yīng)基體應(yīng)變。

3 應(yīng)變傳遞性能試驗研究

3.1 試驗設(shè)計

鋼筋混凝土梁為2 600 mm×150 mm×300 mm，混凝土強度為C30，配置兩根 HRB335級直徑16 mm受拉主筋。為考察光纖特性、粘結(jié)材料及微管外徑對應(yīng)變傳遞性能的影響，表面式光纖傳感器采用外徑900 μm和3 mm緊套光纖作為傳感光纖，并分別使用水泥砂漿、環(huán)氧樹脂及水泥砂漿拌和建筑膠水作為粘結(jié)劑鋪設(shè)。埋入式傳感器的應(yīng)變傳遞性能已在文獻［15］進行了系統(tǒng)分析，本文將略去該部分的試驗結(jié)果分析。為標(biāo)定各傳感光纖，分別在跨中位置的梁頂、梁底混凝土及受拉鋼筋表面布置電阻應(yīng)變片，截面內(nèi)傳感器布置如圖6所示，各傳感元件詳細(xì)布置及編號如表1所示。

圖6 截面?zhèn)鞲性植紙D

表1 傳感光纖匯總表

由DITEST STA－R型BOTDA記錄光纖應(yīng)變值，設(shè)置采樣點間隔為0.1 m，空間分辨率為0.5 m。對上述各梁進行四點加載彎曲試驗，純彎曲段長度為1 m，共分為12個荷載等級，每個加載等級持荷10 min以上。為消除溫度對應(yīng)變測量影響，在試驗梁旁邊設(shè)置自由光纖以進行溫度補償，試驗布置如圖7所示。

圖7 試驗布置圖

3.2 光纖特性影響

由理論分析可知，護套層與基體之間彈性模量的差值及傳感光纖外徑尺寸均會影響兩者之間的應(yīng)變傳遞性能。本文在梁B1的梁頂及梁底混凝土布設(shè)外徑900 μm和3 mm的緊套光纖，各傳感光纖均通過環(huán)氧樹脂粘結(jié)，各傳感器的跨中應(yīng)變?nèi)鐖D8所示。

圖8 不同光纖特性的跨中光纖應(yīng)變對比圖

該梁的粘結(jié)劑為低彈性模量的環(huán)氧樹脂(小于光纖護套層)，理論分析表明平均應(yīng)變傳遞率隨傳感光纖外徑增加而增大。由圖可知，受拉區(qū)傳感光纖 FB－3的應(yīng)變測試值較傳感光纖 FB－0.9大，其測試應(yīng)變約為電阻應(yīng)變片的0.851和0.778倍;受壓區(qū)傳感光纖 FT－3的應(yīng)變測試值也較傳感光纖 FT－0.9大，其試驗標(biāo)定系數(shù)分別約為0.840和0.776，該變化規(guī)律與理論分析一致。

3.3 粘結(jié)材料影響

相比水泥砂漿粘結(jié)劑，水泥砂漿拌和建筑膠水作為粘結(jié)劑具有更好的粘結(jié)性能，相同配合比的兩種粘結(jié)劑彈性模量相近(約10 GPa)。環(huán)氧樹脂作為橡膠類粘結(jié)劑，具有良好的粘結(jié)性能，但其彈性模量(約2.8 GPa)和基體混凝土(約30 GPa)相差較大。本文在B2梁的梁頂及梁底混凝土三條預(yù)留槽內(nèi)分別由水泥砂漿、環(huán)氧樹脂及水泥砂漿拌和建筑膠水粘結(jié)3 mm傳感光纖，比較不同彈性模量粘結(jié)劑的應(yīng)變傳遞性能，各傳感器跨中應(yīng)變?nèi)鐖D9所示。

圖9 不同粘結(jié)材料的跨中光纖應(yīng)變對比圖

由圖9可知，彈性模量較大的砂漿類粘結(jié)劑感應(yīng)應(yīng)變的能力相比環(huán)氧樹脂粘結(jié)好，受拉區(qū)傳感光纖FB－S、FB－J及FB－H的試驗標(biāo)定系數(shù)分別為0.846、0.794 及0.686，受壓區(qū)傳感光纖 FT－S、FT－J及 FT－H分別為 0.835、0.837及0.659。試驗表明，是否拌和建筑膠水對配合比相同的水泥砂漿粘結(jié)劑的應(yīng)變傳遞性能影響不大，但其粘結(jié)性能會有較大改善，采用環(huán)氧樹脂作為粘結(jié)劑時其應(yīng)變敏感性明顯較其它兩種粘結(jié)劑低。

4 結(jié)論

分布式光纖應(yīng)變檢測技術(shù)的測量精度不僅取決于設(shè)備自身技術(shù)參數(shù)，還與感應(yīng)結(jié)構(gòu)應(yīng)變信號的分布式光纖傳感器的結(jié)構(gòu)組成有關(guān)。本文對影響分布式光纖傳感器應(yīng)變傳遞性能的各參數(shù)進行了理論分析和試驗研究，得出如下結(jié)論:

(1)對于已建結(jié)構(gòu)，采用環(huán)氧樹脂等柔性粘結(jié)劑具有良好的粘結(jié)性能，此時選擇外徑較大的傳感光纖可獲取較好的測試精度;水泥砂漿等粘結(jié)劑具有較大的彈性模量，其應(yīng)變傳遞性能較好，選用外徑小的傳感光纖有利于提高應(yīng)變測試精度。

(2)對于新建結(jié)構(gòu)，采用氣吹－灌漿技術(shù)可實現(xiàn)混凝土內(nèi)部分布式光纖傳感器的快速、有效鋪設(shè)，該類傳感器具有較好的應(yīng)變傳遞性能。理論分析和試驗研究［15］表明，埋入式光纖傳感器測量精度隨外徑減小、微管彈性模量增大而提高。

(3)試驗結(jié)果和理論分析具有一致的規(guī)律性，通過理論分析建立的多中間層應(yīng)變傳遞模型能有效分析分布式光纖傳感器的應(yīng)變傳遞過程，且可應(yīng)用于分布式光纖傳感器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。同時為獲取精確的結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息，工程應(yīng)用前需進行分布式光纖傳感器標(biāo)定試驗研究。

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