分布式光纖傳感器監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力 錨索應(yīng)力狀態(tài)的試驗(yàn)研究

1、第24卷 增2巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) Vol.24 Supp.22005年11月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov . ，2005 收稿日期：20040227；修回日期：20040419基金項(xiàng)目：國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(40225006；國(guó)家教育部重點(diǎn)資助項(xiàng)目(01086；南京大學(xué)985工程項(xiàng)目作者簡(jiǎn)介：高俊啟(1973 ，男，2000年于東南大學(xué)道路與鐵道工程專(zhuān)業(yè)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為博士研究生，主要從事光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用及對(duì)大型結(jié)構(gòu)物健康監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)方面的研究工作。E-mail ：junqii_gaao。分布式光纖傳感器監(jiān)

2、測(cè)預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力狀態(tài)的試驗(yàn)研究高俊啟1，2，施 斌1，張 巍1，朱 虹3，徐洪鐘1，張 丹1(1. 南京大學(xué) 地球科學(xué)系，江蘇 南京 210093；2. 南京航空航天大學(xué) 土木工程系，江蘇 南京 210016；3. 東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096摘要：對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力分布狀態(tài)的監(jiān)測(cè)一直是巖土預(yù)應(yīng)力錨固工程中的難題之一，而布里淵光時(shí)域反射計(jì)(BOTDR光纖應(yīng)變傳感技術(shù)是一項(xiàng)新型光電監(jiān)測(cè)技術(shù)，可對(duì)光纖及其附著支護(hù)表面的軸向應(yīng)變實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)測(cè)，因此研究如何將其應(yīng)用于巖土工程預(yù)應(yīng)力錨固體系的應(yīng)力監(jiān)測(cè)具有重要的理論意義與工程價(jià)值。分別對(duì)1根鋼鉸線錨索與3根基綸纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料(AFRP

3、錨索進(jìn)行了應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，分布式應(yīng)變采樣點(diǎn)最小間距為5 cm。測(cè)試結(jié)果表明，分布式光纖傳感器具有較高的測(cè)量精度，光纖傳感器與應(yīng)變計(jì)測(cè)量結(jié)果之間的相對(duì)誤差小于3.8%。在張拉錨固階段，1根鋼鉸線錨索的預(yù)應(yīng)力損失為8.8%，3根AFRP 錨索的預(yù)應(yīng)力損失小于6.08%；30 d后鋼鉸線錨索預(yù)應(yīng)力損失為11.1%，AFRP 錨索預(yù)應(yīng)力損失小于10.3%。由此可見(jiàn)，將BOTDR 分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于巖土工程預(yù)應(yīng)力錨索的應(yīng)力分布狀態(tài)監(jiān)測(cè)具有廣闊的前景。關(guān)鍵詞：布里淵光時(shí)域反射計(jì)；分布式光纖傳感器；預(yù)應(yīng)力錨索；應(yīng)力監(jiān)測(cè)；基綸纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料中圖分類(lèi)號(hào)：TV 223.34；TN 253 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

4、 文章編號(hào)：10006915(2005增2560407EXPERIMENTAL STUDY ON MONITORING OF STRESS FOR PRESTRESSED ANCHORAGE CABLE USING DISTRIBUTED FIBEROPTIC SENSORGAO Jun-qi1，2，SHI Bin1，ZHANG Wei1，ZHU Hong3，XU Hong-zhong1，ZHANG Dan1(1. Department of Earth Sciences，Nanjing University，Nanjing 210093，China ；2. Department of Civ

5、il Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China ；3. College of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China Abstract ：The monitoring of the stress distribution along prestressed anchorage cables is one of the unsettled issues for prestressed rein

6、forcement in geotechnical engineering. As a novel optical fiber sensing technique，BOTDR (Brillouin optical time domain reflectometer can be used to measure the distributed strain along an optical fiber bonded to the support structure. Therefore，it is of great theoretical significance and practical v

7、alue to study how to apply this technique to the monitoring of the stress distribution for the prestressed anchorage cables. A tensile test is carried out for one steel and three AFRP (aramid fiber reinforced plastic prestressed anchorage cables while the strain distributions of the cables are monit

8、ored simultaneously with a sample resolution of 5 cm. The experimental results show that the distributed fiber optic sensing holds a rather high accuracy，with a relative error of the measurement results of no more than 3.8% between the fiber optic sensor and the strain gauge. The instantaneous prest

9、ressing loss of steel prestressed anchorage cable is 8.8%，while the instantaneous prestressing loss of AFRP prestressed anchorage cables were under 6.08%. After 30 days，the total prestressing loss of steel第24卷 增2 高俊啟等. 分布式光纖傳感器監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力狀態(tài)的試驗(yàn)研究 5605 prestressed anchorage cable was 11.1%，while the tot

10、al prestressing loss of AFRP prestressed anchorage cables were under 10.3%. Thus，the conclusion can be drawn herein that BOTDR distributed fiber optic sensing shows considerable applicability in monitoring the stress (strain state of prestressed anchorage cable in geotechnical engineering.Key words：

11、Brillouin optical time domain reflectometer(BOTDR；distributed fiber optic sensor；prestressed anchorage cable；stress monitoring；aramid fiber reinforced plastic(AFRP1 引 言預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)由于具有對(duì)巖(土 體擾動(dòng)小、施工快捷、安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)點(diǎn)，在高邊坡防護(hù)、大壩加固、滑坡治理等巖土工程中得到廣泛的應(yīng)用13，如在三峽工程永久船閘高邊坡加固工程中，在一些關(guān)鍵部位僅3 000 kN級(jí)錨索就布置了367束，且預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)達(dá)60 m4。

12、對(duì)于此類(lèi)意義重大的錨固工程，工程技術(shù)人員有必要了解錨索的應(yīng)力狀態(tài)以及預(yù)應(yīng)力損失情況。目前工程上常用的用于監(jiān)測(cè)錨索預(yù)應(yīng)力狀態(tài)的測(cè)力計(jì)有四類(lèi)，即差動(dòng)電阻式、電阻應(yīng)變計(jì)式、鋼弦式和電感式傳感器。這些傳感器安裝在錨墊板和錨具之間，通過(guò)測(cè)量其所受的壓力值來(lái)推算錨索的預(yù)應(yīng)力5。但此測(cè)量技術(shù)易受外界惡劣環(huán)境的影響而使測(cè)量精度降低，如電磁干擾、酸堿腐蝕、材料老化和潮濕環(huán)境等，且難以實(shí)時(shí)在線地監(jiān)測(cè)錨索的分布式應(yīng)力狀態(tài)。 近年來(lái)，應(yīng)用光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)錨索及構(gòu)筑物的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)，越來(lái)越受到工程界的重視，并開(kāi)始得到廣泛應(yīng)用6，7。這是因?yàn)?，光纖傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，如良好的耐久性、抗腐蝕、抗電磁干擾，適合于在惡劣環(huán)境

13、中長(zhǎng)期工作等。因此研究如何將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于大型預(yù)應(yīng)力錨索系統(tǒng)具有重要的意義。BOTDR 是布里淵光時(shí)域反射計(jì)(Brillouin optic time domain reflectometer的簡(jiǎn)稱，其基本原理是利用傳感光纖中的自然布里淵散射光的頻移變化量與光纖所受的軸向應(yīng)變之間的線性關(guān)系，得到光纖的軸向應(yīng)變。日本、加拿大、瑞士等國(guó)已將其應(yīng)用于樁基、隧道、堤岸和錨固等工程的應(yīng)變檢測(cè)和監(jiān)控中，并已證明了這一技術(shù)的有效性和優(yōu)越性8，9。我國(guó)自2001年由南京大學(xué)地球環(huán)境計(jì)算工程研究所從日本引進(jìn)這一技術(shù)后開(kāi)展了一系列的試驗(yàn)研究，并先后承擔(dān)了幾個(gè)重大隧道工程的分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，取得了一系列重要成

14、果1015。本文在3根芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料(AFRP錨索和1根鋼鉸線錨索上鋪設(shè)了傳感光纖，應(yīng)用BOTDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)預(yù)應(yīng)力錨索全過(guò)程的狀態(tài)監(jiān)測(cè)(張拉、鎖定和運(yùn)行階段 。試驗(yàn)中主要對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索的應(yīng)變、預(yù)應(yīng)力損失、錨索受力狀態(tài)和均勻性及張拉力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。2 BOTDR技術(shù)簡(jiǎn)介光波在光纖中傳播并與光纖中的聲學(xué)聲子相互作用并發(fā)生布里淵散射。散射光的頻率相對(duì)于注入的脈沖光頻率將產(chǎn)生漂移，布里淵散射光頻率漂移量與光纖所受的軸向應(yīng)變或溫度的變化呈良好的線性關(guān)系，BOTDR 正是利用這一線性關(guān)系來(lái)對(duì)構(gòu)筑物進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)。對(duì)整個(gè)測(cè)試光纖，只要測(cè)得光纖各位置的布里淵散射光功率和頻率，就

15、可得到光纖上各處的應(yīng)變分布和溫度分布，如圖1所示。圖1 BOTDR的應(yīng)變檢測(cè)示意圖Fig.1 Principle of distributed strain sensor BOTDR在環(huán)境溫度變化不大的情況下，光纖的應(yīng)變量與布里淵頻率的漂移量可用下式表示：d (d 0( (B B B v v v += (1 式中： (B v 為有應(yīng)變時(shí)光纖布里淵頻率的漂移量；0(B v 為無(wú)應(yīng)變時(shí)光纖布里淵頻率的漂移量；d / (d B v 為比例系數(shù)，約為0.5 GHz；為光纖的應(yīng)變量。由光纖的一端向光纖中注入脈沖光，并在同一 5606 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2005年 端用BOTDR 接收布里淵背向散射光。

16、因此，由某一點(diǎn)返回的布里淵散射光到BOTDR 的距離Z 可用下式計(jì)算：ncTZ 2=(2 式中：c 為真空中的光速，n 為光纖的折射系數(shù)，T 為發(fā)出脈沖光至接收到散射光的時(shí)間間隔。通過(guò)式(1，(2，就可求得光纖軸向任一位置的應(yīng)變。BOTDR 應(yīng)變檢測(cè)原理見(jiàn)圖1?；贐OTDR 的傳感光纖與傳統(tǒng)的電測(cè)傳感器相比具有防水防潮、耐久性好以及抗電磁干擾、耐腐蝕的特點(diǎn)。此外，光纖體積小、柔軟可彎曲，能以任意形式復(fù)合于基體結(jié)構(gòu)中而不影響基體的性能。BOTDR 光纖傳感系統(tǒng)最具優(yōu)勢(shì)的地方還在于光纖既是傳感元件又是傳輸媒介，屬于分布式監(jiān)測(cè)，既可以通過(guò)一根光纖鋪設(shè)在多個(gè)錨索上，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)錨索的同步監(jiān)測(cè)，又可與光

17、纖傳輸系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。3 預(yù)應(yīng)力錨固試驗(yàn)預(yù)應(yīng)力錨固是巖土工程中應(yīng)用十分廣泛的加固技術(shù)，因此監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力錨索的工作狀態(tài)十分重要。本試驗(yàn)中錨索采用了一種抗疲勞和耐腐蝕均很好的新材料芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料(AFRP。為了進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)中還采用了一根高強(qiáng)低松弛鋼鉸線。 3.1 試驗(yàn)布置本次試驗(yàn)主要在小比尺混凝土壩體模型上進(jìn)行，模型截面尺寸見(jiàn)圖2。試驗(yàn)中共安裝了3根AFRP 錨索(A 1，A 2，A 3 和1根鋼鉸線錨索(S 1 ，2種錨索自由段長(zhǎng)2.3 m，錨固段長(zhǎng)0.6 m，錨索之間的間距為0.4 m，錨索基本參數(shù)見(jiàn)表1，2。為了驗(yàn)證BOTDR 檢測(cè)結(jié)果的正確性，在3根AFRP 錨索和1根

18、鋼鉸線錨索上分別粘貼了3片電阻應(yīng)變計(jì)，圖2 預(yù)應(yīng)力錨索的布置Fig.2 Setup of the prestressed anchorage cables進(jìn)行結(jié)果比較。相鄰兩電阻應(yīng)變計(jì)之間的距離為0.5 m，中間一片電阻計(jì)位于錨索自由段的中點(diǎn)。加載設(shè)備采用YCJl50型千斤頂和hz2132型電動(dòng)油泵。由于設(shè)備數(shù)量有限，故采取逐個(gè)錨孔逐級(jí)循環(huán)加載，每級(jí)荷載加載完成后恒載510 min，用BOTDR 采集一次數(shù)據(jù)，同時(shí)用電阻應(yīng)變計(jì)檢測(cè)錨索的應(yīng)變。錨固荷載共分3級(jí)張拉，各級(jí)荷載分別為10，40和70 kN。張拉到設(shè)計(jì)荷載后，恒載10min ，壓力表無(wú)變化時(shí)就可以鎖定卸載。鎖定后測(cè)量一次，觀察錨索的預(yù)

19、應(yīng)力瞬時(shí)損失。經(jīng)過(guò)30 d后，再次對(duì)錨索的應(yīng)變進(jìn)行了檢測(cè)，以計(jì)算時(shí)間引起的預(yù)應(yīng)力損失。數(shù)據(jù)采集設(shè)備為日本最新一代的AQ8603光纖應(yīng)變分析儀。 3.2 傳感光纖的鋪設(shè)本次試驗(yàn)中采用的傳感光纖為0.9 mm的緊套單模光纖，其結(jié)構(gòu)組成為：纖芯/涂覆層/護(hù)套(83 m /125 m /900 m 。為了保證傳感光纖與錨索的表1 鋼鉸線錨索基本參數(shù)Table 1 Parameters of steel prestressed anchorage cable強(qiáng)度級(jí)別/ MPa屈服荷載/ kN破壞荷載/ kN1 000 m理論重量/ kg公稱面積/ mm2伸長(zhǎng)率/% 1 860234.6260.71 10

20、21403.5表2 AFRP錨索基本參數(shù)Table 2 Parameters of AFRP prestressed anchorage cable抗拉強(qiáng)度/ MPa彈性模量/GPa泊松比 密度/(kg·m 3面積/ mm2極限應(yīng)變/%1 36062.50.38125852.4第24卷 增2 高俊啟等. 分布式光纖傳感器監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力狀態(tài)的試驗(yàn)研究 5607 變形完全一致，傳感光纖必須緊密粘貼在錨索表面，為此對(duì)粘結(jié)劑的配比進(jìn)行了多次試驗(yàn)，最終選定環(huán)氧樹(shù)脂650低分子650聚酰胺為21的質(zhì)量配比。通常情況下，AFRP 錨索呈彎曲狀態(tài)。為便于粘貼光纖，首先將AFRP 錨索拉直，然后用

21、專(zhuān)用清洗劑將錨索表面擦洗干凈，以0.5 m間距用專(zhuān)用粘結(jié)劑將傳感光纖固定在錨索上，最后在傳感光纖部位涂覆環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑，將傳感光纖完全粘貼在錨索表面，見(jiàn)圖3。 圖3 傳感光纖鋪設(shè)示意圖Fig.3 Fixing sensing fiber to AFRP prestressed anchoragecable將布置了傳感光纖的錨索安裝到混凝土壩體模型上，然后將傳感光纖的兩端從預(yù)留錨孔中引出。在張拉端錨板上對(duì)應(yīng)錨孔的部位穿1個(gè)3 mm小孔，將外加PV 管保護(hù)的傳感光纖從該小孔引出。然后將4根錨索上粘貼的傳感光纖用FSM 16R 光纖熔接機(jī)連接起來(lái)。這樣在1根傳感光纖上有4個(gè)部位可以感應(yīng)錨索的應(yīng)變變化

22、。 3.3 BOTDR 光纖應(yīng)變分析儀試驗(yàn)所采用的BOTDR 光纖應(yīng)變檢測(cè)設(shè)備為日本最新一代的AQ8603光纖應(yīng)變分析儀，該儀器的主要技術(shù)性能指標(biāo)如表3所示。AQ8603再通過(guò)GP IB 接口與計(jì)算機(jī)相連，便于數(shù)據(jù)采集和分析。4 試驗(yàn)成果分析圖4為BOTDR 監(jiān)測(cè)到的AFRP 錨索A 1，A 2，A 3和鋼鉸線錨索S 1在張拉力10，40與70 kN作用下的應(yīng)變分布。圖中橫坐標(biāo)代表傳感光纖距離光纖起點(diǎn)的長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)表示在某一位置傳感光纖發(fā)生的應(yīng)變。被粘貼到錨索上的傳感光纖將因感應(yīng)到錨索的同步變形而應(yīng)變?cè)龃螅幢徽迟N到錨索上的傳感光纖應(yīng)變沒(méi)有變化，保持零應(yīng)變狀態(tài)，其中感應(yīng)錨索應(yīng)變的傳感光纖長(zhǎng)度對(duì)

23、應(yīng)光纖的粘貼長(zhǎng)度2.3 m。從圖4中可以看出，隨著張拉力增加，錨索A 1，A 2，A 3和S 1的應(yīng)變均成比例增大。A 1，A 2和A 3為AFRP 錨索，在同一級(jí)荷載下，其應(yīng)變值比較一致。S 1為高強(qiáng)低松弛鋼鉸線，由于其彈性模量和截面面積均比AFRP 的大，在同一級(jí)荷載下如70 kN，鋼鉸線的應(yīng)變比AFRP 的要小，鋼鉸線錨索S 1的應(yīng)變?yōu)? 450 ，AFRP 錨索A 1的應(yīng)變?yōu)?3 040 。利用BOTDR 技術(shù)，可以直觀地看到每一根錨索在各級(jí)荷載下的應(yīng)變分布，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)錨索位置/m圖4 張拉荷載下錨索的應(yīng)變分布Fig.4 Strain distribution of the pre

24、stressed anchorage cables表3 AQ8603光纖應(yīng)變分析儀的主要技術(shù)性能指標(biāo) Table 3 Specifications of optical fiber strain analyzer AQ8603測(cè)量距離 /km空間采樣 間隔/m空間定位 精度/m 應(yīng)變測(cè)量 范圍脈沖寬度 /ns 空間分辨率/ m 應(yīng)變測(cè)量 精度 重復(fù)性10 1 202 ±0.004%0.04%505100 11 1，2，5，10，20，40，801.00，0.50，0.20，0.10，0.05±(2.0×105×測(cè)量距離(m0.2 m2×距離采樣

25、間隔(m1.5%1.5% 200 22±0.003% 0.02%應(yīng)變/(103 5608 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2005年的同步監(jiān)測(cè)，而普通的壓力傳感器則不能獲得沿錨索長(zhǎng)度方向錨索的應(yīng)變分布，一般只能得到錨索總的預(yù)應(yīng)力值。既便采用價(jià)格昂貴的錨索應(yīng)變計(jì)，也只能測(cè)出錨索某一部位的應(yīng)變，不能檢測(cè)整根錨索的應(yīng)變分布。圖5，6為基于BOTDR 的分布式光纖傳感器監(jiān)測(cè)的錨索A 2和S 1的分布式應(yīng)變與應(yīng)變計(jì)測(cè)量的錨索的點(diǎn)式應(yīng)變對(duì)比曲線。從圖5可以看出，對(duì)于錨位置/m圖5 BOTDR和應(yīng)變計(jì)測(cè)量的A 2錨索的應(yīng)變分布 Fig.5 Strain distribution of the A 2 pres

26、tressed anchoragecable measured by BOTDR and strain gauge位置/m圖6 BOTDR和應(yīng)變片測(cè)量的S 1錨索的應(yīng)變 Fig.6 Strain distribution of the S 1 prestressed anchorage cablemeasured by BOTDR and strain gauge索A 2，BOTDR 和應(yīng)變計(jì)測(cè)量的結(jié)果比較一致，并且整個(gè)錨索的應(yīng)力應(yīng)變分布比較均勻。對(duì)于錨索S 1，BOTDR 和應(yīng)變計(jì)測(cè)量的結(jié)果也比較一致，但整個(gè)錨索的應(yīng)力應(yīng)變分布略有波動(dòng)，靠近張拉端的應(yīng)力最大。表4列出了錨索在各級(jí)張拉荷載下光纖

27、傳感器與應(yīng)變計(jì)測(cè)量結(jié)果之間的相對(duì)誤差，即認(rèn)為應(yīng)變計(jì)測(cè)量值為錨索的實(shí)際值，相對(duì)誤差 =(BOTDR測(cè)量值應(yīng)變計(jì)測(cè)量值/應(yīng)變計(jì)測(cè)量值。應(yīng) 變計(jì)測(cè)量值取粘貼在錨索自由段中點(diǎn)的應(yīng)變計(jì)所測(cè)表4 分布式光纖傳感器與應(yīng)變計(jì)測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差 Table 4 Relative error between the results measured byfiber optic sensor and strain gauge錨索荷載值 /kN BOTDR 測(cè)量值/ 應(yīng)變計(jì)測(cè)量值/ 相對(duì)誤差/% 102 740 2 848 3.8 40 7 585 7 662 1.0 A 27012 86012 9380.610 2

28、80 289 3.240 1 165 1 197 2.7 S 1702 4502 4971.9量的結(jié)果。由于BOTDR 可以檢測(cè)整個(gè)錨索的應(yīng)變分布，為能與所選應(yīng)變計(jì)測(cè)量值相比較，BOTDR 測(cè)量值也取對(duì)應(yīng)錨索自由段中點(diǎn)的應(yīng)變值。從表4可以看出，分布式光纖傳感器與應(yīng)變計(jì)測(cè)量結(jié)果之間的相對(duì)誤差基本為3.8%0.6%。基于BOTDR 的分布式傳感器檢測(cè)的應(yīng)變能夠比較準(zhǔn)確地反映錨索的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。表5為錨索A 1，A 2，A 3和S 1張拉力的檢測(cè)結(jié)果。利用下式可以計(jì)算出錨索在各級(jí)荷載下所承受的張拉力。其中的取值為錨索自由段中間1 m的平均應(yīng)變值：SE F = (3式中：F 為錨索張拉力，S 為錨索的

29、截面面積，E 為錨索的彈性模量， 為錨索應(yīng)變值。表5 錨索張拉力的檢測(cè)結(jié)果Table 5 Measuring results of the prestressing force各級(jí)設(shè)計(jì)值/kN錨索張拉錨索編號(hào)10 40 70與設(shè)計(jì)值70 kN比值/% 鎖定后張力/kN預(yù)應(yīng)力瞬時(shí)損失/%1個(gè)月后錨索張力/kN預(yù)應(yīng)力損失/%A 1 15.46 41.40 69.28 98.97 66.5 4.10 59.66 10.30 A 2 14.55 40.30 68.32 97.60 64.4 6.08 58.04 9.87 A 3 13.65 38.73 66.62 95.17 66.3 0.48 63

30、.93 3.70S 1 7.84 32.62 68.60 98.00 63.0 8.80 56.00 11.10應(yīng)變/(103 應(yīng)變/(103 第 24 卷 增2 高俊啟等. 分布式光纖傳感器監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力狀態(tài)的試驗(yàn)研究 5609 從表 5 中可以看到，在對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力的前二級(jí) 張拉過(guò)程中，3 根 AFRP 錨索的預(yù)應(yīng)力值均能達(dá)到 對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)張拉值，而普通的鋼鉸線錨索的預(yù)應(yīng)力 值 只 能 分 別 達(dá) 到 對(duì) 應(yīng) 的 設(shè) 計(jì) 張 拉 值 的 78.4% ， 時(shí)， AFRP 錨索的瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失為 0.48% 6.08% ， 普 通 的 鋼 鉸 線 錨 索 的 預(yù) 應(yīng) 力 損 失 為 8.8%。

31、經(jīng)過(guò)一個(gè)月之后，錨索 A1，A2，A3 的預(yù)應(yīng) 力損失分別達(dá)到10.3%，9.87%和3.7%，鋼鉸線 錨索 S1 的預(yù)應(yīng)力損失達(dá)到11.1%。基于 BOTDR 的分布式光纖傳感器應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力錨索的狀態(tài)監(jiān)測(cè) 還有以下優(yōu)點(diǎn)： 81.6%。在最后 70 kN 的張拉中，AFRP 錨索預(yù)應(yīng)力 可以達(dá)到設(shè)計(jì)值的 95.17%98.97%，鋼鉸線預(yù)應(yīng)力 也能達(dá)到設(shè)計(jì)值的 98。由于錨索的錨固試驗(yàn)在混 凝土壩體模型上進(jìn)行，短期內(nèi)混凝土的收縮徐變很 小，且 AFRP 錨索有較好的彈性變形特性，AFRP 錨索能夠很好地達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)張拉力值。而普通鋼 鉸線由于存在蠕變現(xiàn)象，在每級(jí)荷載下其預(yù)應(yīng)力值 都比相應(yīng)的設(shè)計(jì)

32、值小。錨索鎖定之后，AFRP 錨索 和普通鋼鉸線錨索均有預(yù)應(yīng)力損失。為便于比較每 根錨索的預(yù)應(yīng)力損失，錨索預(yù)應(yīng)力變化統(tǒng)一按光纖 檢測(cè)值的相對(duì)百分?jǐn)?shù)計(jì)算，即：鎖定時(shí)預(yù)應(yīng)力損失 值 = (鎖定值鎖定前測(cè)量值/鎖定值；鎖定后預(yù)應(yīng) 力損失值 = (鎖定后測(cè)量值鎖定值/鎖定值。 AFRP 錨索預(yù)應(yīng)力瞬時(shí)損失為0.48%6.08%。鋼鉸線 錨索的預(yù)應(yīng)力瞬時(shí)損失為8.8%。 經(jīng)過(guò)一個(gè)月之后， 錨索 A1，A2，A3 的預(yù)應(yīng)力損失分別達(dá)到10.3%， 9.87%和3.7%，鋼鉸線錨索 (1 該測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍大、易于 安裝，而傳統(tǒng)的弦式傳感器，由于安裝位置未能正 對(duì)錨索鋼鉸線的抽出，容易導(dǎo)致傳感器偏

33、心受壓， 造成傳感器各弦之間測(cè)得的數(shù)據(jù)相差較大。 (2 該測(cè)試系統(tǒng)可以從直觀上了解錨索的工作 狀態(tài)，掌握錨索預(yù)應(yīng)力的損失。通過(guò)補(bǔ)償張拉使其 恢復(fù)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)及施工，并根 據(jù)出現(xiàn)的異常情況，采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。 (3 基于 BOTDR 的分布式光纖傳感器具有耐 久性好、抗電磁干擾、信號(hào)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，且鋪設(shè)成 本不高，可以利用普通的單模光纖或者特制的傳感 光纖，并且利用 1 根傳感光纖可以監(jiān)測(cè)多個(gè)錨索的 受力狀態(tài)。 由此可見(jiàn)，基于 BOTDR 的分布式光纖監(jiān)測(cè)技 術(shù)應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力錨索的狀態(tài)監(jiān)測(cè)是可行的，與傳統(tǒng) 的監(jiān)測(cè)方法相比具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用前景十分 廣闊。 參考文獻(xiàn)(Refere

34、nces： 1 陳安敏，顧金才，沈 俊，等. 軟巖加固中錨索張拉噸位隨時(shí)間 S1 的預(yù)應(yīng)力損失達(dá) 到11.1%。鎖定時(shí)錨索預(yù)應(yīng)力損失原因主要是由于 錨具楔滑。鎖定后錨索預(yù)應(yīng)力損失主要來(lái)自以下 2 方面：(1 錨索松弛回彈；(2 混凝土的徐變。為降 低錨索松弛損失，錨索張拉應(yīng)采用多次張拉和持荷 超張拉補(bǔ)償?shù)霓k法。 5 結(jié) 語(yǔ) 變化規(guī)律的模型試驗(yàn)研究J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(2： 251256.(Chen Anmin，Gu Jincai，Shen Jun，et al. Model testing research on the variation of tension force

35、of anchor cable with time in reinforcement of soft rocksJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(2：251256.(in Chinese 2 高大水，曾 勇. 三峽永久船閘高邊坡錨索預(yù)應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測(cè)分 本文對(duì)基于 BOTDR 的分布式光纖應(yīng)變測(cè)量技 術(shù)在預(yù)應(yīng)力錨索狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用展開(kāi)了試驗(yàn)研 究。結(jié)果表明：基于 BOTDR 的分布式光纖傳感器 可以方便地粘貼到 AFRP 錨索和鋼鉸線錨索表面， 傳感光纖與錨索粘貼的效果很好，兩者可以同步變 形，同時(shí)傳感光纖在試

36、驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)斷開(kāi)的現(xiàn) 象，這說(shuō)明配制的粘結(jié)劑在起到粘合作用的同時(shí)也 能起到很好的保護(hù)作用。在對(duì)錨索進(jìn)行張拉的過(guò)程 中，通過(guò)光纖應(yīng)變檢測(cè)設(shè)備 AQ8603 和與之相連的 計(jì)算機(jī)，可以直接觀察預(yù)應(yīng)力錨索在每級(jí)荷載下的 應(yīng)變分布以及錨索任一截面上所承受的張拉力。對(duì) 于 AFRP 錨索，在每級(jí)荷載作用下其預(yù)應(yīng)力均能達(dá) 到設(shè)計(jì)值，而普通的鋼鉸線錨索，其預(yù)應(yīng)力在前二 級(jí)荷載作用下未能達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)值，在最后 70 3 析J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2001， 20(5： 653656.(Gao Dashui， Zeng Yong. Monitoring analysis on prestress st

37、ate of anchor cable of high slope of the Three Gorges Project permanent shiplocksJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，20(5： 653656.(in Chinese 肖世國(guó)，周德培. 巖石高邊坡一種預(yù)應(yīng)力錨索框架型地梁的內(nèi)力 計(jì)算J. 巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24(4：479482.(Xiao Shiguo， Zhou Depei. A calculation method for internal force of prestres

38、sed anchor-rope and frame beam-on-foundation on high rock slopeJ. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2002，24(4：479 482.(in Chinese kN 的張拉下，其預(yù)應(yīng)力達(dá)到了設(shè)計(jì)值。在錨索鎖定 5610 4 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2005 年 王紅峽，王佳寧，王經(jīng)五. 試論預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)在我國(guó)水利水電 工程中的應(yīng)用與發(fā)展J. 華北航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，13(1： 29 32.(Wang Hongxia ， Wang Jianing ， Wang Jingw

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