基于fbg的鋼-混凝土組合橋面板模型混凝土頂裂縫檢測(cè)

基于fbg的鋼-混凝土組合橋面板模型混凝土頂裂縫檢測(cè)

鋼-混凝土橋梁板結(jié)構(gòu)可顯著減少大橋的重量，并可廣泛應(yīng)用于廣泛使用的橋梁中。作為一種組合結(jié)構(gòu),鋼和混凝土的整體性直接影響大橋結(jié)構(gòu)的耐久性和行車的舒適性。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)確地檢測(cè)混凝土頂裂縫損傷的發(fā)生部位、量值大小和發(fā)展過(guò)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(kāi)裂特性。對(duì)大型結(jié)構(gòu)裂縫損傷發(fā)生發(fā)展全過(guò)程的準(zhǔn)確檢測(cè),技術(shù)難度較高,目前尚無(wú)可靠有效的方法。在模型試驗(yàn)中,一般采用電阻應(yīng)變片測(cè)試加上目視檢測(cè)等手段,只能粗略地估測(cè)裂縫損傷的出現(xiàn)。大型結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)需要更精確的、智能化的傳感元件。目前,國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)已開(kāi)始采用具有一線制、分布式、高精度、微型化等優(yōu)點(diǎn)的光纖傳感器作為傳感元件進(jìn)行測(cè)試。其中光纖Bragg光柵(FBG)傳感器能將外部的應(yīng)變或溫度的改變轉(zhuǎn)化為反射光波長(zhǎng)的變化,成為目前為止,最有希望用于大型結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期健康檢測(cè)的傳感器件。以FBG為靈敏元件的光纖光柵裂縫傳感器,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)荷載不太大時(shí),工程材料處于彈性階段,無(wú)損壞,這時(shí)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)。由于FBG裂縫傳感器布控范圍較大,在彈性階段,其所測(cè)得的應(yīng)變值應(yīng)為該區(qū)域的平均應(yīng)變;在損傷階段,其所測(cè)得的值應(yīng)為該區(qū)域出現(xiàn)裂縫的總縫寬。本次試驗(yàn)成功地利用FBG傳感器測(cè)出彈性階段的應(yīng)變值,與傳統(tǒng)電測(cè)應(yīng)變片測(cè)值一致;測(cè)出彈性及損傷兩階段的臨界點(diǎn),并追蹤損傷階段裂縫的發(fā)展,測(cè)試結(jié)果與目視檢測(cè)相一致,完成了鋼-混凝土組合橋面板模型混凝土頂裂縫損傷全過(guò)程的檢測(cè)。1bragg光柵裂縫傳感器鋼-混凝土組合橋面板試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橐婚L(zhǎng)方形鋼-混凝土組合板,平面尺寸為2400mm×5000mm,底部鋼板厚8mm,兩翼混凝土厚120mm,中部混凝土厚200mm,采用C40鋼纖維混凝土,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,如圖1所示。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(kāi)始前夕進(jìn)行,利用預(yù)埋角鋼緊固在模型表面。根據(jù)強(qiáng)度理論,不難得出模型試驗(yàn)混凝土裂縫的始發(fā)部位出現(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個(gè)FBG傳感器和7組應(yīng)變片,如圖2所示。FBG裂縫傳感器布控范圍450~480mm。采用Instron-4302數(shù)字式拉伸試驗(yàn)機(jī)(美InstronCo.)對(duì)光纖Bragg光柵裂縫傳感器進(jìn)行了檢驗(yàn)。結(jié)果表明:傳感器線性度好,成品質(zhì)量合格。2試驗(yàn)階段和破壞試驗(yàn)階段模型試驗(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。試驗(yàn)過(guò)程中注意到充分發(fā)揮光纖傳感高靈敏度的優(yōu)勢(shì),一旦在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常,都立即報(bào)出,以便及時(shí)觀察模型的物理現(xiàn)象,與其它測(cè)試手段彼此印證。2.1靜載荷載數(shù)據(jù)采集靜載試驗(yàn)階段分為11個(gè)加載步,從0kN加載到最大83.66kN,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,各于振動(dòng)循環(huán)1萬(wàn)、5萬(wàn)、25萬(wàn)、50萬(wàn)、100萬(wàn)、150萬(wàn)、200萬(wàn)、210萬(wàn)、255萬(wàn)和300萬(wàn)次后,再逐級(jí)(按前述靜載階段)施加荷載進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其中疲勞300萬(wàn)次加靜載到83.66kN后,未卸載,繼續(xù)加載做破壞試驗(yàn)。圖3(a)為靜載第2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)得的混凝土頂橫向應(yīng)變分布曲線。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3(b)為靜載第3次循環(huán)FBG裂縫傳感器L4與對(duì)應(yīng)位置的5號(hào)應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變-荷載關(guān)系曲線。比較圖3可以看出:兩種方法測(cè)得的模型應(yīng)變分布規(guī)律一致,數(shù)值上也相當(dāng)吻合。說(shuō)明利用FBG傳感器進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)試是完全可行的。而且FBG傳感器測(cè)得的平均值較應(yīng)變片測(cè)得的局部點(diǎn)的值更為準(zhǔn)確、客觀。在靜載和疲勞循環(huán)階段,由于荷載較小,傳感器測(cè)值也變化不大,通過(guò)肉眼觀測(cè)未在傳感器布控區(qū)域發(fā)現(xiàn)縱向承載裂縫。2.2fbg傳感器破壞在破壞階段,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試驗(yàn)(破壞后期)。利用FBG傳感器測(cè)出的混凝土頂應(yīng)變(縫寬)-荷載關(guān)系曲線如圖4所示。由于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4的測(cè)試結(jié)果很好地反映了這種對(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(zhǎng)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87με。當(dāng)即目視檢查混凝土表面,在FBG裂縫傳感器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115.6με,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,如圖5所示。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249με,其后保持此增長(zhǎng)趨勢(shì)直至破壞完成。說(shuō)明300kN后,L3布控部位已經(jīng)開(kāi)裂,此后隨著荷載的增加,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號(hào)應(yīng)變片存活期稍長(zhǎng)。L3布控區(qū)域出現(xiàn)裂縫損傷之后(荷載>340kN),4號(hào)應(yīng)變片及其對(duì)應(yīng)位置的FBG傳感器L3測(cè)值的比較如圖6所示。由于L3傳感器布控部位已經(jīng)開(kāi)始有裂縫損傷出現(xiàn),其測(cè)得值應(yīng)為裂縫寬度,在圖6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6可以看出,若將FBG傳感器測(cè)值以應(yīng)變表示,在裂縫出現(xiàn)初期,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(zhǎng)較緩,而FBG傳感器測(cè)值增長(zhǎng)較快。這與理論分析和現(xiàn)場(chǎng)觀察相吻合。因?yàn)槊總€(gè)FBG裂縫傳感器布控區(qū)域長(zhǎng)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號(hào)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(zhǎng)緩慢。破壞后期,隨著荷載的增大,FBG傳感器仍保持正常工作直至結(jié)構(gòu)達(dá)成破壞。試驗(yàn)過(guò)程中,FBG傳感器測(cè)得的值比用千分表直接測(cè)量裂縫寬度得到的值要大。其原因應(yīng)為:FBG傳感器測(cè)得的是布控區(qū)域總的裂縫寬度,包括微裂縫,而千分表測(cè)量的只是主要的幾條大裂縫的寬度,而不包括微裂縫。3空間分布狀態(tài)本項(xiàng)工作首次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-混凝土組合橋面板模型試驗(yàn)從靜載到疲勞再到破壞的裂縫損傷全過(guò)程監(jiān)測(cè)。在靜載與疲勞試驗(yàn)階段中,FBG傳感系統(tǒng)檢測(cè)到各級(jí)加載產(chǎn)生的應(yīng)變值,其空間分布狀態(tài)和變化過(guò)程與電測(cè)應(yīng)變片測(cè)試結(jié)果吻合,結(jié)果說(shuō)明直至疲勞試驗(yàn)結(jié)束模型處在彈性階段,在裂縫傳感器布控部位未出現(xiàn)承載縱向裂縫。在破壞階段,FBG傳感系統(tǒng)測(cè)得混凝土頂裂縫損傷發(fā)生發(fā)展的全過(guò)程,測(cè)值演變規(guī)律性良好,符合一般經(jīng)驗(yàn)和力學(xué)原理,并與目視檢測(cè)