基于fbg的鋼-混凝土組合橋面板模型混凝土頂裂縫檢測

基于fbg的鋼-混凝土組合橋面板模型混凝土頂裂縫檢測

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)確地檢測混凝土頂裂縫損傷的發(fā)生部位、量值大小和發(fā)展過程。為此采用模型試驗方法,研究在疲勞荷載作用下混凝土的抗疲勞開裂特性。對大型結(jié)構(gòu)裂縫損傷發(fā)生發(fā)展全過程的準(zhǔn)確檢測,技術(shù)難度較高,目前尚無可靠有效的方法。在模型試驗中,一般采用電阻應(yīng)變片測試加上目視檢測等手段,只能粗略地估測裂縫損傷的出現(xiàn)。大型結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測需要更精確的、智能化的傳感元件。目前,國內(nèi)外結(jié)構(gòu)健康檢測已開始采用具有一線制、分布式、高精度、微型化等優(yōu)點的光纖傳感器作為傳感元件進(jìn)行測試。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)化為反射光波長的變化,成為目前為止,最有希望用于大型結(jié)構(gòu)長期健康檢測的傳感器件。以FBG為靈敏元件的光纖光柵裂縫傳感器,在實際工作中,一般會經(jīng)歷兩個階段:(1)彈性階段。當(dāng)荷載不太大時,工程材料處于彈性階段,無損壞,這時傳感器測到的是埋設(shè)點處的應(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,傳感器測到的是損傷值,如縫寬等(埋設(shè)點處材料的彈性應(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,其所測得的值應(yīng)為該區(qū)域出現(xiàn)裂縫的總縫寬。本次試驗成功地利用FBG傳感器測出彈性階段的應(yīng)變值,與傳統(tǒng)電測應(yīng)變片測值一致;測出彈性及損傷兩階段的臨界點,并追蹤損傷階段裂縫的發(fā)展,測試結(jié)果與目視檢測相一致,完成了鋼-混凝土組合橋面板模型混凝土頂裂縫損傷全過程的檢測。1bragg光柵裂縫傳感器鋼-混凝土組合橋面板試驗?zāi)Ｐ蜑橐婚L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、試驗開始前夕進(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)字式拉伸試驗機(jī)(美InstronCo.)對光纖Bragg光柵裂縫傳感器進(jìn)行了檢驗。結(jié)果表明:傳感器線性度好,成品質(zhì)量合格。2試驗階段和破壞試驗階段模型試驗經(jīng)歷了3個階段:靜載試驗階段、疲勞試驗階段和破壞試驗階段。試驗過程中注意到充分發(fā)揮光纖傳感高靈敏度的優(yōu)勢,一旦在測試中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常,都立即報出,以便及時觀察模型的物理現(xiàn)象,與其它測試手段彼此印證。2.1靜載荷載數(shù)據(jù)采集靜載試驗階段分為11個加載步,從0kN加載到最大83.66kN,加載穩(wěn)定時采集數(shù)據(jù),共進(jìn)行了3個循環(huán)。疲勞試驗階段施加等振幅諧波動荷載,各于振動循環(huán)1萬、5萬、25萬、50萬、100萬、150萬、200萬、210萬、255萬和300萬次后,再逐級(按前述靜載階段)施加荷載進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其中疲勞300萬次加靜載到83.66kN后,未卸載,繼續(xù)加載做破壞試驗。圖3(a)為靜載第2次循環(huán)荷載63.52kN時,分別用FBG(短實線)和應(yīng)變片(虛線)測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)域測值。圖3(b)為靜載第3次循環(huán)FBG裂縫傳感器L4與對應(yīng)位置的5號應(yīng)變片測得的應(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。說明利用FBG傳感器進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變測試是完全可行的。而且FBG傳感器測得的平均值較應(yīng)變片測得的局部點的值更為準(zhǔn)確、客觀。在靜載和疲勞循環(huán)階段,由于荷載較小,傳感器測值也變化不大,通過肉眼觀測未在傳感器布控區(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(破壞后期)。利用FBG傳感器測出的混凝土頂應(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的測試結(jié)果很好地反映了這種對稱性,其測值遠(yuǎn)高于布控于跨中部位的L3的測值。L1、L2、L4的測值隨荷載增長的變化曲線在120kN附近出現(xiàn)了拐點,此時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,FBG傳感器測值繼續(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,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,其測值非常小,只有幾個到十幾個微應(yīng)變,但在加載到340kN荷載時,其值猛增到249με,其后保持此增長趨勢直至破壞完成。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對應(yīng)的4號應(yīng)變片存活期稍長。L3布控區(qū)域出現(xiàn)裂縫損傷之后(荷載>340kN),4號應(yīng)變片及其對應(yīng)位置的FBG傳感器L3測值的比較如圖6所示。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傳感器測值以應(yīng)變表示,在裂縫出現(xiàn)初期,應(yīng)變片測值較FBG傳感器大,但隨著荷載的增加,應(yīng)變片測值增長較緩,而FBG傳感器測值增長較快。這與理論分析和現(xiàn)場觀察相吻合。因為每個FBG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號應(yīng)變片測值小。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裂縫傳感器測值(裂縫出現(xiàn)后,FBG測裂縫寬度),使得應(yīng)變片測值較FBG傳感器測值增長緩慢。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。試驗過程中,FBG傳感器測得的值比用千分表直接測量裂縫寬度得到的值要大。其原因應(yīng)為:FBG傳感器測得的是布控區(qū)域總的裂縫寬度,包括微裂縫,而千分表測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)本項工作首次將光纖光柵傳感技術(shù)和電測應(yīng)變片同時用于完成鋼-混凝土組合橋面板模型試驗從靜載到疲勞再到破壞的裂縫損傷全過程監(jiān)測。在靜載與疲勞試驗階段中,FBG傳感系統(tǒng)檢測到各級加載產(chǎn)生的應(yīng)變值,其空間分布狀態(tài)和變化過程與電測應(yīng)變片測試結(jié)果吻合,結(jié)果說明直至疲勞試驗結(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)測得混凝土頂裂縫損傷發(fā)生發(fā)展的全過程,測值演變規(guī)律性良好,符合一般經(jīng)驗和力學(xué)原理,并與目視檢測