張超榮，任 亮，張 慶，劉月新，李炳勇

1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024；2.大連市建設(shè)工程集團有限公司，遼寧 大連 116000；3.大連港資產(chǎn)經(jīng)營管理公司，遼寧 大連 116001)

0 引言

目前，我國已有大量的工業(yè)建筑進入了服役老年期[1]，隨著我國城市規(guī)模的擴大及城鎮(zhèn)化速度的加快，許多上世紀高聳建筑物需要拆除。大多數(shù)構(gòu)筑物或高聳建筑物首選爆破進行拆除[2]，但有些被拆除的構(gòu)(建)筑物周圍環(huán)境復(fù)雜，如毗鄰易燃易爆的化工廠或石油站，或離居民建筑距離近而不滿足爆破條件，故只能進行物理性拆除。物理性拆除過程中不確定因素較多，安全性成為其突出考慮的問題。傳統(tǒng)的拆除僅依賴施工人員的經(jīng)驗，其拆除速度較慢，尤其當結(jié)構(gòu)進入倒塌臨界點，只能進行試探性作業(yè)，安全系數(shù)較低，對結(jié)構(gòu)倒塌的方位也無法進行精準控制，隨機性較大，因此,需要引入現(xiàn)代監(jiān)測手段來解決傳統(tǒng)拆除作業(yè)中的盲目性及安全措施延時被動的問題。

研究學(xué)者早已認識到健康監(jiān)測(SHM)民用基礎(chǔ)設(shè)施實施結(jié)構(gòu)的重要性[3]，特別是對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)或重要的施工過程，如拆除、結(jié)構(gòu)卸載、爆破等。傳感器的選取是進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)，光纖光柵(FBG)傳感器因其體積小，靈敏度高，耐腐蝕及抗電磁干擾等優(yōu)點[4]，是結(jié)構(gòu)施工與長期監(jiān)測的理想傳感形式。周智等[5]、任亮等[6]制作了管式封裝FBG應(yīng)變傳感器，并對其進行改進設(shè)計，取得了很好的測試效果，廣泛應(yīng)用于大壩模型工程[7]、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工過程監(jiān)測[8]、海底管線的振動臺試驗[9]、大連市體育館屋蓋監(jiān)測[10]中。因此，F(xiàn)BG傳感器適用于實際工程中的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)實時在線監(jiān)測。但目前應(yīng)用于實際工程的FBG傳感器多為點式或短標距傳感器[11]，一般標距在100 mm內(nèi)，其適用范圍主要是跨度和體積相對較小，材料相對均質(zhì)(如鋼材)，應(yīng)力梯度變化較明顯的結(jié)構(gòu)。由于其測量范圍較小，只能進行局部監(jiān)測，很難對混凝土這種局部性能離散大的結(jié)構(gòu)進行準確的應(yīng)變測試，特別是在混凝土出現(xiàn)開裂等破壞后，監(jiān)測結(jié)果受局部裂縫、損傷等影響較大，難以實現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)的整體全面監(jiān)測[12]。為了對混凝土結(jié)構(gòu)進行準確測試，通過增加傳感器標距，使傳感器的監(jiān)測范圍增大，得到筒倉結(jié)構(gòu)一定長度的單元平均應(yīng)變,避免因局部材料劣化或因裂縫引起監(jiān)測失效，同時也可實現(xiàn)準分布式測量,從而獲取結(jié)構(gòu)足夠的參數(shù)信息,以利于損傷識別[13-14]。

在拆除過程中，隨著開孔程度的增加，鋼筋混凝土筒倉損傷程度也逐漸增加；而結(jié)構(gòu)損傷會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的質(zhì)量或剛度缺失，進而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的動力特性(如固有頻率、振型和阻尼比等)發(fā)生變化。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)而言，其振型和阻尼比的測量誤差較大，而固有頻率在結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)測試中最易獲得，且抗噪聲能力強，測量精度高[15]，因此可將固有頻率作為損傷特征指標。Cawley等[16]最先通過頻率對結(jié)構(gòu)進行損傷識別，通過特征值對結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的靈敏度進行分析，識別出結(jié)構(gòu)的單一損傷。Salawu[17]討論了頻率變化與結(jié)構(gòu)損傷間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，基于固有頻率的損傷識別技術(shù)頻率易測量，且與測量位置無關(guān)，測量方便快捷，通過結(jié)構(gòu)固有頻率的變化確定結(jié)構(gòu)是否處于損傷狀態(tài)是可行的。孫麗等[18]通過理論推導(dǎo)及振動臺試驗證明了FBG應(yīng)變傳感器適用于低頻振動系統(tǒng)的監(jiān)測需求。

為保證筒倉拆除過程中施工人員和施工機械的安全，本文首次將長標距FBG應(yīng)變傳感器用于混凝土筒倉的拆除工作中，對采集的數(shù)據(jù)進行動、靜態(tài)聯(lián)合分析，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果實時控制開鑿順序，糾正筒倉的倒塌方位，并在倒塌前夕成功做出動力和靜力預(yù)警，相關(guān)研究成果可為類似工程提供借鑒和參考。

1 長標距FBG應(yīng)變傳感器

1.1 傳感器設(shè)計

針對混凝土筒倉特有的結(jié)構(gòu)類型及破壞形式，設(shè)計了與之相匹配的等效長度比傳感器。傳感器設(shè)計標距為500 mm，全長為600 mm。傳感器采用夾持封裝方式，采用獨特的膠粘劑隔離技術(shù)，膠粘劑不直接封裝光纖光柵區(qū)域，僅作用于光纖光柵兩端的光纖封裝區(qū)域，根據(jù)材料力學(xué)中的等效截面比原理，外界的應(yīng)力作用將直接作用在光纖光柵區(qū)域，有效地消除了膠粘劑導(dǎo)致的多層應(yīng)變傳遞損耗，大幅提高了傳感器的響應(yīng)頻率。封裝后的傳感器主要由低溫敏光纖光柵構(gòu)件和兩個夾持套管組成，如圖1所示。

圖1 光纖光柵應(yīng)變傳感器原理圖

夾持套管為鋼管，設(shè)兩端固定點的距離為L，兩個夾持套管的內(nèi)端面間距為Lf，夾持套管的內(nèi)端面至支點的間距為Ls。根據(jù)文獻[4]推導(dǎo)，其中心波長變化ΔλFBG與外界應(yīng)變ε的關(guān)系為

(1)

式中Kε為光纖光柵的應(yīng)變影響系數(shù)。通過調(diào)整固定支點的間距和光纖傳感區(qū)域的長度，則可改變傳感器的應(yīng)變靈敏度。

1.2 傳感器標定試驗

圖2為用萬能試驗機對定制傳感器進行的標定試驗，標定棒材直徑為14 mm，長為800 mm，彈性模量為2.06×105MPa。首先將裸光纖光柵和待標定的光纖光柵應(yīng)變傳感器安裝在鋼棒兩側(cè)，通過萬能試驗機對鋼棒施加拉力，使兩側(cè)傳感器均勻協(xié)調(diào)變形，將待測傳感器的波長變化與標準裸光纖光柵的波長變化進行擬合，得出其靈敏度系數(shù)和線性度系數(shù)。圖3為500 mm長標距光纖光柵應(yīng)變傳感器的標定實驗結(jié)果。標定實驗數(shù)據(jù)表明傳感器應(yīng)變靈敏度系數(shù)為1.259 9 pm/με，與理論值1.2 pm/με基本一致，且其線性度系數(shù)R2高達0.999 9，說明傳感器具有良好的線性度。

圖2 萬能試驗機標定試驗

圖3 應(yīng)變標定實驗結(jié)果

1.3 傳感器疲勞試驗

光纖光柵與膠粘劑間的結(jié)合面、傳感器封裝材料與粘合劑在長期交變荷載作用下可能會產(chǎn)生疲勞損傷，疲勞損傷積累到一定程度時將會導(dǎo)致傳感器失效，因此，需要對長標距光纖光柵應(yīng)變傳感器進行疲勞試驗，以檢驗其長期穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

利用MTS試驗機對鋼棒循環(huán)施加11～25 kN正弦變化的往復(fù)荷載，加載頻率為25 Hz。在循環(huán)往復(fù)荷載作用下，傳感器波長最大值、最小值如圖4所示。在90萬次的循環(huán)往復(fù)荷載作用下，其波長最大值和最小值基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)疲勞試驗結(jié)果可知，長標距光纖光柵應(yīng)變傳感器具備良好的長期工作穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

圖4 循環(huán)荷載作用下傳感器最大和最小波長變化

2 監(jiān)測方案設(shè)計

2.1 工程概況

因城市改建規(guī)劃的要求，需要對大連華能小野田水泥廠3個混凝土筒倉進行拆除，由北往南分別是1號筒倉、2號筒倉、3號筒倉(見圖5)。3個筒倉的高度均為30 m，1號筒倉直徑為20 m，2、3號簡倉直徑均為23 m。為滿足施工作業(yè)面的需求，拆除順序依次為2號筒倉、1號筒倉、3號筒倉。本文以1號筒倉拆除過程為例進行介紹，預(yù)定的倒塌方向是東南方向。

圖5 1號混凝土筒倉預(yù)定倒塌方向

開鑿破碎的過程至倒塌需要精確控制，包括倒塌的方向和倒塌的臨界點。為了科學(xué)控制挖掘機開鑿順序及何時撤離場地，避免不必要的人員受傷和周圍設(shè)施的損壞，需要對拆除過程中混凝土應(yīng)變發(fā)展趨勢及筒倉的損傷程度進行實時監(jiān)測分析。

2.2 傳感器布置

一個典型的監(jiān)測系統(tǒng)包括3個主要部件：傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(包括數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲)及健康評估系統(tǒng)(包括診斷算法和信息管理)[19]。針對1號筒倉的拆除方案和倒塌方向，此次傳感器布置分為3個區(qū)域，如圖6所示。其中1號和3號是受壓區(qū)域，每個區(qū)域分別布置4個傳感器；2號是受拉區(qū)域，布置3個傳感器，傳感器的編號及中心波長如表1所示。由圖6可見，1號和3號區(qū)域傳感器從距倒塌方向線18 m開始安裝，左、右間隔1 m，上、下凈距為1 m；2號區(qū)域傳感器間隔為6 m，均勻布置。每條測線上最底部的傳感器位于距筒倉基礎(chǔ)底部5 m的高度，形成準分布式監(jiān)測網(wǎng)。傳感器支座預(yù)先進行鉆孔植筋固定，光纖光柵傳感器分組串接，形成3條測線，通過多芯光纜統(tǒng)一接入到距離筒倉200 m外的動態(tài)光纖光柵解調(diào)儀中。

圖6 傳感器布置示意圖

表1 傳感器編號及中心波長

編 號1-11-21-31-4波長/nm1 542.0271 512.5151 565.7531 550.917編 號2-12-22-33-1波長/nm1 542.0631 556.7651 572.6931 576.432編 號3-23-33-4波長/nm1 563.0131 552.6761 580.459

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與監(jiān)測平臺

為了滿足動力和靜力聯(lián)合監(jiān)測的需求，靜力監(jiān)測的采集系統(tǒng)選用本課題組自行開發(fā)的光纖光柵及電類同步采集儀，如圖7(a)所示。整個靜力監(jiān)測過程的采樣頻率為5 Hz。動力監(jiān)測的采集系統(tǒng)采用美國Micron Optics International(MOI)公司生產(chǎn)的SM130型光纖光柵解調(diào)儀，其最大采樣頻率為1 000 Hz，如圖7(b)所示。隨著拆除過程的進行，每隔20 min進行高頻采集，通過快速傅里葉變換得到頻譜圖，分析其基頻的變化。

圖7 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為了實現(xiàn)拆除過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化和實時預(yù)警，基于LabVIEW開發(fā)了可視化實時監(jiān)測平臺，如圖8所示。在監(jiān)測軟件的人機交互界面中加入筒倉模型顯示功能，利用模型中傳感器位置的顏色變化來反應(yīng)測點部位的變形程度，設(shè)計了獨特的報警指示燈。圖8中左、右側(cè)視圖對應(yīng)圖6(b)中1號與3號受壓區(qū)域，通過觀察兩側(cè)數(shù)值的大小對筒倉的倒塌方位進行實時校準；圖8中中間視圖對應(yīng)圖6(b)中2號受拉區(qū)域，當混凝土筒倉受拉側(cè)最大應(yīng)變超過200 με時開始預(yù)警，指示燈顯示為紅色，并進行報警。

圖8 可視化實時監(jiān)測平臺

3 監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1 動力監(jiān)測結(jié)果與分析

基于結(jié)構(gòu)動力特性的變化判斷結(jié)構(gòu)的損傷程度是一種簡便的方法，在實際工程中，頻率是最易獲得的結(jié)構(gòu)動力參數(shù)，也是能獲取的較準確的結(jié)構(gòu)動力參數(shù)之一。如圖9所示，隨著施工的進行，混凝土筒倉的開孔率逐漸增大，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度也隨之發(fā)生變化。采用SM130型光纖光柵解調(diào)儀每隔20 min進行1 000 Hz高頻采樣，并記錄此時筒倉的開孔率。

圖10是筒倉開孔率為5%時采集的3-3光纖光柵應(yīng)變傳感器的原始應(yīng)變時程數(shù)據(jù)。為了便于分析，截取80～90 s應(yīng)變響應(yīng)幅值較大的一段時程，對截取的這段信號作快速傅里葉變換，即得到該段信號的頻譜圖，如圖11所示。由圖11可見，其一階固有頻率為4.123 97 Hz，相對于未開孔時結(jié)構(gòu)的固有頻率減小了8.3%。如此循復(fù)進行，在結(jié)構(gòu)倒塌前共記錄了11次結(jié)構(gòu)頻率的變化，繪制的固有頻率與開孔率的折線圖如圖12所示。由圖12可知，其固有頻率隨著開孔率的增大而逐漸減小，結(jié)構(gòu)倒塌時其固有頻率減小為0.75 Hz，相對于未開孔時結(jié)構(gòu)的固有頻率減少了83.3%。

圖10 光纖光柵傳感器應(yīng)變響應(yīng)時程圖

圖11 開孔率為5%頻譜圖

圖12 固有頻率與開孔率折線圖

在本文中，近似地將開孔率作為結(jié)構(gòu)的損傷因子，表示該結(jié)構(gòu)的損傷程度，以固有頻率變化的平方(Δω2)為縱坐標進行繪圖，得到的相關(guān)曲線如圖13所示。由圖可見，在開孔率≤40%時，基本滿足線性的關(guān)系；當開孔率為45%時，出現(xiàn)拐點，Δω2出現(xiàn)陡增，結(jié)構(gòu)損傷開始變大，結(jié)構(gòu)振動的非線性特性更明顯。因此，當筒倉結(jié)構(gòu)開孔率為45%時做出動力預(yù)警，對應(yīng)的時間為13∶50。

圖13 Δω2與開孔率的關(guān)系圖

3.2 靜力監(jiān)測結(jié)果與分析

拆除順序是先在距3號傳感器1 m處開孔，然后由南向北(3號到1號)逐漸開孔。在預(yù)警前期，結(jié)構(gòu)受拉側(cè)應(yīng)變響應(yīng)值較小，此時重點關(guān)注1號和3號受壓區(qū)傳感器數(shù)值的大小，通過調(diào)整施工順序使兩側(cè)壓力值逐漸平衡，糾正筒倉倒塌方向的偏離程度，使主應(yīng)力方向與倒塌方向一致。

當2號區(qū)域傳感器最大拉應(yīng)變?yōu)?00 με時，拉應(yīng)變急速增大，如圖14所示。由圖可看到這一臨界變化，混凝土開始退出工作，主要拉應(yīng)力由鋼筋承擔(dān)，此時開始靜力預(yù)警。同時也觀察到筒倉背部出現(xiàn)明顯的裂縫，如圖15所示。當表面應(yīng)變?yōu)?00～800 με時，鋼筋進入屈服階段，結(jié)構(gòu)由介穩(wěn)狀態(tài)向失穩(wěn)狀態(tài)過渡。靜力預(yù)警的時間為14∶32，施工現(xiàn)場所有人員及機械撤離，靜力預(yù)警13 min后，結(jié)構(gòu)成功按照預(yù)定方位倒塌。

圖14 2號區(qū)域部分傳感器應(yīng)變時程圖

圖15 筒倉背部裂縫圖

4 結(jié)論

為保證大連華能混凝土筒倉拆除過程的安全性，采用長標距光纖光柵傳感器對拆除全過程進行動力和靜力聯(lián)合監(jiān)測與分析，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可得以下結(jié)論：

1) 結(jié)構(gòu)動力特性的變化比靜力特性對損傷反應(yīng)更靈敏。當開孔率為45%時，頻率變化的平方出現(xiàn)突變，開始動力預(yù)警，此時結(jié)構(gòu)的固有頻率相對于未開孔時減小了60%；當受拉側(cè)最大拉應(yīng)變?yōu)?00 με時開始靜力預(yù)警，從靜力預(yù)警到結(jié)構(gòu)倒塌持續(xù)了13 min。最后混凝土筒倉成功按照預(yù)定方位倒塌，倒塌時極限拉應(yīng)變?yōu)? 200～1 500 με，與鋼筋屈服破壞理論值基本一致。

2) 監(jiān)測結(jié)果表明，所采用的FBG長標距光纖光柵應(yīng)變傳感器信號穩(wěn)定，能夠抵抗結(jié)構(gòu)由于施工機械錘擊引起的巨大振動與沖擊，具有良好的耐久性和穩(wěn)定性。同時能夠快速、準確地反映結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化，精確實測到拆除過程中固有頻率的變化，具有很高的靈敏度。

3) 這種實時監(jiān)測與控制對拆除工作具有前瞻性和科學(xué)指導(dǎo)性的重要作用，使管理人員和施工人員清楚地了解拆除過程中混凝土筒倉的應(yīng)力應(yīng)變變化，及時調(diào)整施工順序，確保了施工拆除期間施工人員和施工機械的安全性，同時也加快了施工速度，縮短了施工工期。在構(gòu)筑物(建筑物)拆除領(lǐng)域聯(lián)合應(yīng)用動靜監(jiān)測方式將成為一種趨勢。