李 潔，張宏戰(zhàn)，任 亮，李宏男，袁超林

(1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024；2.沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

0 引言

近年來，光纖傳感作為一種快速發(fā)展的傳感檢測技術(shù)，可獲得溫度、應(yīng)變、壓力等信息，成功應(yīng)用于航空航天、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域[1]。光纖既作為傳感元件，又作為傳輸元件，對比傳統(tǒng)傳感器，光纖類傳感器具有靈敏度高，精度高，抗電磁干擾，耐腐蝕，體積小，易安裝等優(yōu)點[2]。光纖類傳感器包括光纖光柵傳感器和分布式光纖傳感器。常見的光纖光柵傳感器有基片式和夾持式等，目前光纖光柵傳感器發(fā)展較成熟，已廣泛應(yīng)用于工程試驗[3]及實際工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中[4-5]。相對于光纖光柵傳感器，分布式光纖傳感器發(fā)展尚不成熟。近年來，為了準(zhǔn)確測量一定范圍內(nèi)的應(yīng)變分布情況，基于光頻域反射技術(shù)(OFDR)的光纖連續(xù)定位應(yīng)變測量傳感方法得到了快速發(fā)展，這種方法利用分布式光纖傳感器既實現(xiàn)了應(yīng)變定量測量，又反映了應(yīng)變空間分布信息，實現(xiàn)了應(yīng)變定位功能[6]。

由于分布式光纖易折的物理特性，應(yīng)用于實際工程的情況較少，本文將分布式光纖傳感器應(yīng)用于蝸殼模型試驗中，監(jiān)測蝸殼外包混凝土應(yīng)變分布狀況。蝸殼結(jié)構(gòu)是一種典型壓力容器，外圍混凝土和鋼蝸殼之間存在接觸非線性問題，為數(shù)值模擬計算參數(shù)的確定造成了一定的困難，蝸殼結(jié)構(gòu)模型試驗作為數(shù)值計算結(jié)果合理性和正確性的驗證手段，其作用不可代替[7-8]。不設(shè)鋼襯的鋼筋混凝土蝸殼，混凝土的開裂會對蝸殼的運行剛度及耐久性產(chǎn)生不利影響，故而其限裂防滲要求很嚴(yán)苛，蝸殼混凝土的應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測是蝸殼試驗監(jiān)測的一項重要內(nèi)容，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可幫助確定蝸殼裂縫設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，合理配置鋼筋優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計。以往模型試驗[9]多采用傳統(tǒng)應(yīng)變片及光纖光柵傳感器進(jìn)行應(yīng)變測量，此次試驗利用分布式光纖獲取數(shù)據(jù)，成功監(jiān)測蝸殼混凝土在逐級加載過程中的變形及裂縫發(fā)展情況，及時定位裂縫產(chǎn)生的位置和時間，對蝸殼的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評價。

1 分布式光纖傳感技術(shù)

1.1 OFDR測量原理

分布式光纖傳感器采用普通通信光纖，基于OFDR可實現(xiàn)一定范圍內(nèi)定量、定位的應(yīng)變及溫度測量。

OFDR原理如圖1所示，光源發(fā)出的經(jīng)線性掃描的連續(xù)光被耦合器分為兩束，其中一束被注入到傳感光纖，由于光纖折射率的微觀不均勻性，在傳播時會不斷地產(chǎn)生瑞利散射信號，這些瑞利散射信號成為信號光經(jīng)過耦合器被耦合到光電探測器中。另一束光，經(jīng)反射后作為參考光通過耦合器被耦合到光電探測器中[10]。二者由于存在光程差，相遇時會產(chǎn)生干涉，在頻域上對其解析即可獲得空間及時間層面上的待測信息。

圖1 OFDR原理圖

(1)

參考光表達(dá)式為

Er(0,t)=Arexp[-2iβ(t)xr]

(2)

推導(dǎo)出最終歸一化信號為

(3)

式中G(x)=[σ(x)α(x)]exp[2iβ0(x-xr)],G(x)dx以2γ|x-xr|的頻率隨時間波動，如果取xr=0，則波動頻率與光纖中的位置x一一對應(yīng)，可以通過求解g(γt)頻譜上各頻率點推出光纖中各點的位置。由于G(x)dx與光纖沿線的衰減成正比，光纖沿線各位置處的衰減情況可從各個頻率點的功率求得。

1.2 分布式光纖傳感器標(biāo)定試驗

為了檢驗分布式光纖的工作性能，將分布式光纖粘貼在鋼板上進(jìn)行標(biāo)定試驗。鋼板的楊氏模量為2.06×105MPa，截面尺寸為30 mm×4 mm。粘貼前打磨鋼板表面，并用酒精清潔。在鋼板中心位置用502沿縱向粘貼20 cm分布式裸光纖，用來測量鋼板上的應(yīng)變分布。將鋼板固定在萬能試驗機進(jìn)行拉伸試驗，如圖2所示。以2 kN的級差從0連續(xù)加載至24 kN，每級保載200 s。理論上，每級荷載下鋼板的軸向應(yīng)變分布應(yīng)為水平線。圖3為分布式光纖鋼板拉伸試驗結(jié)果。由圖3可知，測得的應(yīng)變結(jié)果符合鋼板在軸向拉力作用下的應(yīng)變分布情況。

圖2 標(biāo)定試驗

圖3 分布式光纖鋼板拉伸試驗結(jié)果

為了評估應(yīng)變測量性能，提取中間點在每級加載步驟下的應(yīng)變測量值(見圖4)，該線性相關(guān)系數(shù)大于0.999 4，測量結(jié)果線性良好，表明分布式光纖傳感器測量穩(wěn)定。

圖4 分布式光纖傳感器校準(zhǔn)結(jié)果

2 試驗設(shè)計

2.1 模型尺寸及傳感器布置

試驗原型水電站混凝土蝸殼進(jìn)口最大凈寬度為30.62 m，最大高度為16.26 m。蝸殼結(jié)構(gòu)試驗?zāi)Ｐ蛶缀伪瘸邽?∶20。完成養(yǎng)護(hù)的蝸殼模型如圖5所示。測試內(nèi)容主要包括混凝土應(yīng)變，蝸殼外圍混凝土變形及裂縫發(fā)展。

圖5 蝸殼模型圖

分布式光纖應(yīng)變傳感器主要用于測量蝸殼進(jìn)口段側(cè)墻外表面混凝土應(yīng)變，布置如圖6所示。

圖6 分布式光纖應(yīng)變傳感器測點布置圖

2.2 分布式光纖傳感器安裝

將布設(shè)分布式光纖位置附近用打磨機打磨平整，然后用砂紙沿45°方向打磨，酒精擦拭干凈后，在布設(shè)位置處劃線，將光纖拉緊貼近混凝土，固定兩端，涂抹502膠水，保持張拉狀態(tài)至膠水完全凝固。

2.3 試驗方案和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在鋼筋混凝土蝸殼澆筑養(yǎng)護(hù)成型后，按下列步驟進(jìn)行加載試驗：

1) 以0.025 MPa的荷載級差，先加載至0.1 MPa。

2) 減小級差至0.02 MPa繼續(xù)加載，逐級加載至0.42 MPa。 減小級差至0.01 MPa，逐級加載至0.465 MPa。每級荷載持荷5 min，測量混凝土應(yīng)變值，觀察混凝土外表面及分析混凝土應(yīng)變值判斷混凝土是否開裂，混凝土一旦開裂將荷載級差即刻降為0.01 MPa。然后記錄各級荷載下裂縫的開展范圍，并測讀裂縫的寬度。

3) 繼續(xù)分級加載進(jìn)行超載試驗，荷載級差升至0.02 MPa，最終加載至0.686 MPa。每級荷載持荷5 min，測量混凝土應(yīng)變值，觀察混凝土外表面及分析混凝土應(yīng)變值判斷混凝土是否開裂，記錄各級荷載下裂縫的開展范圍并測讀裂縫的寬度。

分布式光纖應(yīng)變測量采用美國LUNA公司的ODiSI-A分布式光纖傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用通信光纖作為傳感器，可以監(jiān)測光纖任何位置的溫度和應(yīng)變信息，最小空間分辨率可達(dá)1 mm，最大傳感測試長度可達(dá)50 m。圖7為ODiSI-A分布式光纖傳感系統(tǒng)。

圖7 ODiSI-A分布式光纖傳感系統(tǒng)

3 試驗結(jié)果與分析

由于分布式光纖應(yīng)變傳感器需要逐根測量，且單根測讀用時較長，在持荷時間內(nèi)無法完成所有傳感器的測量，故選取豎向中間一條分布式光纖傳感器V3進(jìn)行逐級測量。圖8為有效測試范圍內(nèi)側(cè)墻外表面混凝土在各級水壓力下的應(yīng)變分布。圖9為設(shè)計內(nèi)水壓力0.465 MPa下側(cè)墻外表面混凝土的應(yīng)變分布。

圖8 各級內(nèi)水壓力下混凝土表面應(yīng)變分布圖

圖9 0.465 MPa內(nèi)水壓力下分布式光纖V3測量截面應(yīng)變圖

由圖8、9可知，側(cè)墻跨中部位均表現(xiàn)為拉應(yīng)變，隨著內(nèi)水壓力的增大，跨中拉應(yīng)變峰值逐漸突出，而在靠近蝸殼頂板和底板位置，各級荷載下側(cè)墻外側(cè)混凝土應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，且向頂板和底板延伸一定范圍內(nèi)均表現(xiàn)為壓應(yīng)變。采用分布式光纖傳感器能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)側(cè)墻外表面混凝土應(yīng)變沿高度方向的分布規(guī)律。在設(shè)計內(nèi)水壓力0.465 MPa，測得的側(cè)墻外表面豎向拉應(yīng)變最大值為148 με，通過肉眼觀測在對應(yīng)位置處未發(fā)現(xiàn)可見裂縫，說明蝸殼在設(shè)計內(nèi)水壓力下工作性能良好。

為確定側(cè)墻外表面混凝土的開裂荷載，提取了圖8中應(yīng)變峰值對應(yīng)點(光纖長度6.090 02 m)處混凝土在各級內(nèi)水壓力下的應(yīng)變數(shù)值，圖10為該點混凝土應(yīng)變與內(nèi)水壓力的變化關(guān)系。

圖10 峰值點應(yīng)變-內(nèi)水壓力變化曲線

由圖10可知，在內(nèi)水壓力小于0.465 MPa時，混凝土拉應(yīng)變與內(nèi)水壓力呈良好的線性關(guān)系，混凝土外表面未發(fā)現(xiàn)可見裂縫，說明在設(shè)計內(nèi)水壓力0.465 MPa下側(cè)墻外表面混凝土不會開裂。試驗進(jìn)入超載階段后，在內(nèi)水壓力小于0.56 MPa時，混凝土拉應(yīng)變與內(nèi)水壓力仍表現(xiàn)為良好的線性關(guān)系，只是斜率有所下降，混凝土外表面未發(fā)現(xiàn)可見裂縫，說明側(cè)墻混凝土外表面仍未開裂。當(dāng)內(nèi)水壓力超過0.56 MPa時，混凝土應(yīng)變突然增大，內(nèi)水壓力達(dá)到0.58 MPa時，混凝土應(yīng)變增幅達(dá)533 με，曲線出現(xiàn)明顯的拐點，說明混凝土發(fā)生開裂，側(cè)墻外表面混凝土的開裂荷載為0.56 MPa。同級荷載下側(cè)墻外表面未發(fā)現(xiàn)可見裂縫，直到內(nèi)水壓力達(dá)到0.62 MPa時，才在對應(yīng)位置發(fā)現(xiàn)可見裂縫。這說明分布式光纖傳感器不僅能夠精確地定位裂縫的位置，還能確定混凝土開裂時間。

4 結(jié)束語

本文闡述了OFDR測量原理，對分布式光纖的工作性能進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果顯示分布式光纖傳感器傳感性能穩(wěn)定，適用于工程試驗。將分布式光纖傳感器應(yīng)用于蝸殼模型試驗，粘貼在混凝土表面，分布式光纖傳感器測量結(jié)果實時反映出混凝土的空間應(yīng)變分布信息。測量結(jié)果表明加載至0.56 MPa時，應(yīng)變與內(nèi)水壓力曲線出現(xiàn)拐點，分布式光纖傳感器及時捕捉到開裂時間和開裂荷載，當(dāng)加載至0.62 MPa時在應(yīng)變峰值點處發(fā)現(xiàn)第一條可見裂縫，定位出混凝土開裂位置，達(dá)到了測量目的。分布式光纖傳感器反映應(yīng)變空間分布，實現(xiàn)應(yīng)變定位的能力為蝸殼混凝土外部的變形監(jiān)測提供了良好的測量手段。