基于fbg的鋼-砼組合橋面板模型裂縫損傷檢測(cè)

基于fbg的鋼-砼組合橋面板模型裂縫損傷檢測(cè)

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康試驗(yàn)通常采用結(jié)構(gòu)上的適應(yīng)性片劑安裝。這種方法有很多缺點(diǎn)：布布復(fù)雜，容易被電磁干燥，容易受到文浮浮和零浮的影響，長期適應(yīng)性測(cè)試的結(jié)果將明顯丟失。近年來隨著光纖傳感技術(shù)的逐漸成熟,光纖光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)也越來越明顯。結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測(cè),越來越多的工程測(cè)試開始采用光纖光柵傳感器。傳統(tǒng)電測(cè)方法其測(cè)試結(jié)果已被業(yè)界廣泛認(rèn)可,而光纖光柵傳感器雖然通過一些應(yīng)用展現(xiàn)了其突出的優(yōu)點(diǎn),但其測(cè)試結(jié)果與電測(cè)方式相比,是否有區(qū)別?哪一種測(cè)試更合理、可靠?目前國內(nèi)外尚缺乏這方面的對(duì)比研究。為解決此問題,本項(xiàng)試驗(yàn)采用了光纖Bragg光柵裂縫傳感器與電測(cè)應(yīng)變片同時(shí)檢測(cè),完成了模型試驗(yàn)裂縫損傷對(duì)比測(cè)試。1高拉彎鋼模型鋼-砼組合橋面板是一種組合結(jié)構(gòu),可顯著減輕大跨橋梁的自重。為了工程安全,需要研究和監(jiān)控組合橋面板的承載力和耐久性,準(zhǔn)確的檢測(cè)裂縫損傷的發(fā)生部位、量值大小和發(fā)展過程。為此采用模型試驗(yàn)方法,研究在疲勞荷載作用下混凝土的抗疲勞開裂特性。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1。模型為長方形鋼-砼組合板,平面尺寸:B=2.4m,L=5mm。底部鋼板厚8mm,兩翼混凝土厚120mm,中部混凝土厚200mm,為C40鋼纖維砼,鋼纖維用量為100kg/m3,摻量1.28%,支撐于工字鋼梁上,承受負(fù)彎矩。試驗(yàn)采用大噸位千斤頂和MTS伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行整體加載,集中荷載由分載梁分配到模型上。模型兩加載點(diǎn)間距1.94m,同時(shí)為模擬實(shí)際車輪與橋面板的著地情況,在加載點(diǎn)處放了1塊0.66m×0.26m的鋼墊板(圖1中虛線所示)。圖2照片顯示模型實(shí)際加載情況。根據(jù)強(qiáng)度理論,模型試件混凝土裂縫的始發(fā)部位當(dāng)出現(xiàn)在由負(fù)彎矩誘發(fā)的組合橋面板的高拉應(yīng)力區(qū)。所以在相應(yīng)部位布置了4只光纖裂縫傳感器和7組應(yīng)變花以及千分表,見圖3。光纖Bragg光柵裂縫傳感器的安裝于混凝土澆筑完成后,試驗(yàn)開始前夕進(jìn)行,利用預(yù)埋角鋼緊固在模型表面。2fbg裂縫傳感器光柵反射的中心波長(Bragg波長)滿足Bragg(布拉格)條件:λB=2neffΛ(1)式中,λB為反射光中心波長,neff為光柵的有效折射率,Λ為光柵周期(柵距)。當(dāng)光柵承受軸向應(yīng)變時(shí),會(huì)使中心波長發(fā)生偏移。除應(yīng)變外,溫度的改變也會(huì)使λB發(fā)生偏移。光纖Bragg光柵裂縫傳感器則是利用懸臂梁原理,如圖4。懸臂梁一端固定,另一端為自由端,將光纖Bragg光柵粘貼于懸臂梁上。外部拉桿一端固定,另一端與懸臂梁自由端相連,當(dāng)外部拉桿感受到位移而被拉長或縮短時(shí),相應(yīng)會(huì)引起懸臂梁發(fā)生彎曲變形,從而使FBG承受應(yīng)力,在此應(yīng)力作用下,光柵周期Λ發(fā)生改變,導(dǎo)致反射光波長發(fā)生偏移△λB。采用溫度補(bǔ)償?shù)霓k法可以消除環(huán)境溫度對(duì)光纖光柵的影響,使得反射光波長的偏移△λB與懸臂梁自由端位移成線性關(guān)系。通過測(cè)量FBG反射光波長偏移△λB,便可確定出懸臂梁自由端的位移d,即拉桿伸縮的距離。以FBG為靈敏元件的光纖裂縫傳感器,在實(shí)際工作中,一般會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)階段:1)彈性階段:當(dāng)荷載不夠大時(shí),工程材料處于彈性階段,無損壞,這時(shí)FBG傳感器測(cè)到的是埋設(shè)點(diǎn)處的應(yīng)變值(損壞發(fā)生前)。2)損傷階段:當(dāng)損傷(如裂縫)發(fā)生后,傳感器測(cè)到的是損傷值,如縫寬等(埋設(shè)點(diǎn)處材料的彈性應(yīng)變已釋放)。本次模型試驗(yàn)采用的FBG裂縫傳感器有效測(cè)距在450mm~480mm之間,遠(yuǎn)大于應(yīng)變片的尺寸。在裂縫出現(xiàn)前,裂縫傳感器測(cè)得的值為布控區(qū)域的平均應(yīng)變值,而應(yīng)變片所測(cè)值為布控點(diǎn)的值。裂縫出現(xiàn)后,FBG裂縫傳感器測(cè)值應(yīng)換算成裂縫寬度,但為了便于與應(yīng)變片測(cè)值比較,仍用應(yīng)變表示。采用Instron-4302數(shù)字式拉伸試驗(yàn)機(jī)(美InstronCo.)對(duì)所用的FBG裂縫傳感器進(jìn)行了檢驗(yàn)。測(cè)試表明傳感器線性度較好,成品質(zhì)量合格。3靜力加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析模型試驗(yàn)經(jīng)歷了3個(gè)階段:靜載試驗(yàn)階段、疲勞試驗(yàn)階段和破壞試驗(yàn)階段。靜載試驗(yàn)以較為密集的荷載等級(jí)逐步加載到設(shè)計(jì)荷載83.66kN,仔細(xì)觀察是否有裂縫損傷出現(xiàn)。加載穩(wěn)定時(shí)采集數(shù)據(jù),共進(jìn)行了3個(gè)循環(huán)。疲勞試驗(yàn)階段施加等振幅諧波動(dòng)荷載,為了縮短試驗(yàn)周期,試驗(yàn)機(jī)加載頻率采用8.4Hz,共進(jìn)行3×106次循環(huán)。在此兩階段,試驗(yàn)數(shù)據(jù)和肉眼觀測(cè)均未在傳感器布控區(qū)域發(fā)現(xiàn)縱向承載裂縫。在破壞階段,以設(shè)計(jì)荷載的20%為增量,加載到靜力設(shè)計(jì)荷載后,以靜力設(shè)計(jì)荷載的10%~20%為增量,加載到靜力設(shè)計(jì)荷載的1.5倍,后根據(jù)變形情況實(shí)時(shí)調(diào)整荷載增量,加載直至破壞完成。由于MTS結(jié)構(gòu)試驗(yàn)伺服系統(tǒng)的最大噸位不能滿足將模型加載到極限破壞的要求,所以用MTS結(jié)構(gòu)試驗(yàn)伺服系統(tǒng)加載到844kN后(破壞前期),改用普通千斤頂做破壞加載實(shí)驗(yàn)(破壞后期)。3.1fbg裂縫傳感器在布控區(qū)域的應(yīng)變分布結(jié)果靜載階段應(yīng)變片測(cè)值與FBG測(cè)值的比較見圖5。在靜載及疲勞階段并未發(fā)現(xiàn)縱向承載裂縫出現(xiàn),兩種方法均測(cè)得布控區(qū)域的應(yīng)變值。鋼-砼組合橋面板結(jié)構(gòu)為非均質(zhì)材料,其應(yīng)力應(yīng)變或損傷的分布不均勻,應(yīng)變片只反映所測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值,而FBG裂縫傳感器測(cè)得的值是布控區(qū)域的平均應(yīng)變值,兩者本身就有差別。圖5(a)為靜載第二次循環(huán)荷載63.52kN時(shí),分別用FBG(短實(shí)線)和應(yīng)變片(虛線)測(cè)得砼頂橫向應(yīng)力分布曲線圖,由于FBG傳感器L1、L2布控位置很接近,取其平均值作為該區(qū)域測(cè)值。圖5(b)為靜載第三次循環(huán)FBG裂縫傳感器L4與對(duì)應(yīng)位置的5#應(yīng)變片測(cè)得的荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線。比較圖5(a)、(b)兩圖,可以看出:兩種方法測(cè)得模型應(yīng)變分布規(guī)律一致,數(shù)值上也吻合。其中應(yīng)變片測(cè)值由于受較多偶然因數(shù)比如局部點(diǎn)粘貼因素等的影響,其離散性較大。3.2fbg傳感器的破壞過程將破壞前期荷載486kN以及破壞后期1200kN兩種典型工況進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果見圖6。FBG裂縫傳感器L4對(duì)應(yīng)位置的5#應(yīng)變片在整個(gè)破壞實(shí)驗(yàn)階段測(cè)值非常小,而且隨著荷載的增加,其測(cè)值基本保持不變。這與理論計(jì)算和實(shí)際觀測(cè)結(jié)果相矛盾。5#應(yīng)變片布控點(diǎn)在混凝土頂面跨中右側(cè)區(qū),屬由負(fù)彎矩誘發(fā)的高拉應(yīng)力區(qū),根據(jù)對(duì)稱性,其測(cè)值應(yīng)與3#應(yīng)變片測(cè)值相當(dāng),而且根據(jù)最終模型損壞情況,5#布控的模型右側(cè)區(qū)域首先出現(xiàn)裂縫,結(jié)構(gòu)達(dá)成最終破壞也是出現(xiàn)在該側(cè)區(qū)域。由此斷定:5#應(yīng)變片已經(jīng)損壞,其測(cè)值為壞值。FBG裂縫傳感器L1、L2與對(duì)應(yīng)位置的3#應(yīng)變片在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段測(cè)值均吻合,直至破壞后期3#應(yīng)變片布控位置出現(xiàn)裂縫,應(yīng)變片損壞如圖6(b)。利用FBG傳感器測(cè)出了直至破壞完成,砼頂應(yīng)變(縫寬)-荷載關(guān)系,其中破壞前期裂縫損傷發(fā)展過程見圖7。根據(jù)圖3(a)可知L1、L4各位于跨中面板的左右對(duì)稱兩側(cè),L2布設(shè)位置與L1很接近,三者均處于由負(fù)彎矩誘發(fā)的高拉應(yīng)力區(qū)。圖7的測(cè)試結(jié)果很好的反應(yīng)了這種對(duì)稱性,其測(cè)值遠(yuǎn)高于布控于跨中部位的L3的測(cè)值。L1、L2、L4的測(cè)值隨荷載增長的變化曲線在120kN附近出現(xiàn)了拐點(diǎn),此時(shí)L4讀數(shù)以應(yīng)變表示為87×10-6ε。當(dāng)即目視檢查混凝土表面,在FBG裂縫計(jì)L4布控區(qū)域未發(fā)現(xiàn)縱向承載裂縫。荷載135kN時(shí),FBG傳感器測(cè)值繼續(xù)明顯增大,L4讀數(shù)以應(yīng)變表示為115.6×10-6ε,相應(yīng)位置的千分表讀數(shù)反應(yīng)明顯,目視仍未發(fā)現(xiàn)縱向承載裂縫。至150kN時(shí),目視發(fā)現(xiàn)L1、L2、L4傳感器下方均已有連通的縱向裂縫,見圖8。L3傳感器布控部位在加載到300kN荷載之前,其測(cè)值非常小,只有幾個(gè)到十幾個(gè)微應(yīng)變,但在加載到340kN荷載時(shí),其值猛增到249×10-6ε,其后保持此增長趨勢(shì)直至破壞完成。說明300kN后,L3布控部位已經(jīng)開裂,此后隨著荷載增加,裂縫不斷發(fā)展,直至達(dá)成破壞。在破壞階段,隨著荷載的增加,應(yīng)變片不斷損壞,只有位于跨中部位的FBG傳感器L3對(duì)應(yīng)的4#應(yīng)變片存活期稍長。在L3布控區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)裂縫損傷之后(荷載>340kN),將4#應(yīng)變片及其對(duì)應(yīng)位置的L3傳感器測(cè)值進(jìn)行比較,見圖9。由于L3傳感器布控部位已經(jīng)開始有裂縫損傷出現(xiàn),其測(cè)得值應(yīng)為裂縫寬度,在圖9中應(yīng)按右縱坐標(biāo)讀數(shù),應(yīng)變片測(cè)值按左縱坐標(biāo)讀應(yīng)變值。從圖9可以看出,若將FBG傳感器測(cè)值以應(yīng)變表示,在裂縫損傷剛開始出現(xiàn)時(shí),應(yīng)變片測(cè)值較FBG傳感器大,但隨著荷載的增加,應(yīng)變片測(cè)值增長較緩,而FBG傳感器測(cè)值增長較快。這與理論分析和現(xiàn)場(chǎng)觀察相吻合。因?yàn)镕BG裂縫傳感器布控區(qū)域長達(dá)450~480mm,在裂縫損傷出現(xiàn)前,FBG傳感器L3測(cè)得該區(qū)域的平均應(yīng)變,較布控于結(jié)構(gòu)跨中部位,感受最大拉應(yīng)變的4#應(yīng)變片測(cè)值小。隨著荷載的增加,裂縫擴(kuò)展,使應(yīng)變不斷被釋放,而應(yīng)變的釋放并不會(huì)影響FBG裂縫傳感器測(cè)值,(裂縫出現(xiàn)后,FBG測(cè)裂縫寬度),使得應(yīng)變片測(cè)值較FBG傳感器測(cè)值增長緩慢。4材料的應(yīng)用和測(cè)試將光纖光柵傳感技術(shù)和電測(cè)應(yīng)變片同時(shí)用于完成鋼-砼組合橋面板模型試驗(yàn):靜載-疲勞