钢- 混凝土组合桥面板模型混凝土顶裂缝损伤全过程检测

摘　要: 利用光纤Bragg 光栅( FBG) 传感器与电阻应变片同时监测,完成了钢- 混凝土组合桥面板模型混凝土顶裂缝损伤检测。模型试验经历了静载、疲劳(300 万次) 和破坏3 个阶段。测试结果表明无纵向承载裂缝出现时,FBG传感器测得相应位置的应变值。在破坏阶段,传感器布控区域相继出现裂缝损伤。利用FBG传感器测得了经历300 万次疲劳循环后钢- 混凝土组合桥面板模型混凝土顶发生裂缝损伤的临界应变值并追踪裂缝损伤的发展。与传统电测方式相比,FBG传感器显示了灵敏度高、精度高、测试范围大等优点。

关键词:桥面板;组合结构;裂缝;光纤传感器;桥梁检测

中图分类号: U443. 32 ; TP212. 9 文献标识码:A 文章编号:1671 - 7767 (2006) 04 - 0060 - 04

　　钢- 混凝土组合桥面板结构可显著减轻大跨桥梁的自重,从而得到较为广泛的应用。作为一种组合结构,钢和混凝土的整体性直接影响大桥结构的耐久性和行车的舒适性。为了工程安全,需要研究和监控组合桥面板的承载力和耐久性,准确地检测混凝土顶裂缝损伤的发生部位、量值大小和发展过程。为此采用模型试验方法,研究在疲劳荷载作用下混凝土的抗疲劳开裂特性。

　　对大型结构裂缝损伤发生发展全过程的准确检测,技术难度较高,目前尚无可靠有效的方法。在模型试验中,一般采用电阻应变片测试加上目视检测等手段,只能粗略地估测裂缝损伤的出现。大型结构的长期健康监测需要更精确的、智能化的传感元件。目前,国内外结构健康检测已开始采用具有一线制、分布式、高精度、微型化等优点的光纤传感器[1～4 ] 作为传感元件进行测试。其中光纤Bragg 光栅( FB G) 传感器能将外部的应变或温度的改变转化为反射光波长的变化,成为目前为止,最有希望用于大型结构长期健康检测的传感器件。

　　以FBG为灵敏元件的光纤光栅裂缝传感器[5 ] ,在实际工作中,一般会经历两个阶段:

　　(1) 弹性阶段。当荷载不太大时,工程材料处于弹性阶段,无损坏,这时传感器测到的是埋设点处的应变值(损坏发生前) 。

　　(2) 损伤阶段。当损伤(如裂缝) 发生后,传感器测到的是损伤值,如缝宽等(埋设点处材料的弹性应变已释放) 。

　　由于FBG裂缝传感器布控范围较大,在弹性阶段,其所测得的应变值应为该区域的平均应变;在损伤阶段,其所测得的值应为该区域出现裂缝的总缝宽。本次试验成功地利用FBG 传感器测出弹性阶段的应变值,与传统电测应变片测值一致;测出弹性及损伤两阶段的临界点,并追踪损伤阶段裂缝的发展,测试结果与目视检测相一致,完成了钢- 混凝土组合桥面板模型混凝土顶裂缝损伤全过程的检测。

1 　钢- 混凝土组合桥面板模型

　　钢- 混凝土组合桥面板试验模型为一长方形钢- 混凝土组合板,平面尺寸为2 400 mm ×5 000mm ,底部钢板厚8 mm ,两翼混凝土厚120 mm ,中部混凝土厚200 mm ,采用C40 钢纤维混凝土,钢纤维用量为100 kg/ m3 ,掺量1. 28 % ,支撑于工字钢梁上,承受负弯矩,如图1 所示。光纤Bragg 光栅裂缝传感器的安装于混凝土浇筑完成后、试验开始前夕进行,利用预埋角钢紧固在模型表面。根据强度理论,不难得出模型试验混凝土裂缝的始发部位出现在由负弯矩诱发的组合桥面板的高拉应力区。所以在相应部位布置了4 个FB G传感器和7 组应变片,如图2 所示。FBG 裂缝传感器布控范围450～480mm。

　　采用Inst ron24302 数字式拉伸试验机(美In2st ron Co. ) 对光纤Bragg 光栅裂缝传感器进行了检验[6 ] 。结果表明:传感器线性度好,成品质量合格。

2 　模型测试

　　模型试验经历了3 个阶段:静载试验阶段、疲劳试验阶段和破坏试验阶段。试验过程中注意到充分发挥光纤传感高灵敏度的优势,一旦在测试中发现数据异常,都立即报出,以便及时观察模型的物理现象,与其它测试手段彼此印证。

2. 1 　静载和疲劳测试阶段

　　静载试验阶段分为11 个加载步,从0 kN 加载到最大83. 66 kN ,加载稳定时采集数据,共进行了3个循环。疲劳试验阶段施加等振幅谐波动荷载,各于振动循环1 万、5 万、25 万、50 万、100 万、150 万、200 万、210 万、255 万和300 万次后,再逐级(按前述静载阶段) 施加荷载进行数据采集。其中疲劳300 万次加静载到83. 66 kN 后,未卸载,继续加载做破坏试验。图3 (a) 为静载第2 次循环荷载63. 52kN 时,分别用FBG(短实线) 和应变片(虚线) 测得的混凝土顶横向应变分布曲线。由于FBG 传感器L1 、L2 布控位置很接近,取其平均值作为该区域测值。图3 (b) 为静载第3 次循环FBG裂缝传感器L4

　　与对应位置的5 号应变片测得的应变- 荷载关系曲线。比较图3 可以看出:两种方法测得的模型应变分布规律一致,数值上也相当吻合。说明利用FBG传感器进行应力、应变测试是完全可行的。而且FB G传感器测得的平均值较应变片测得的局部点的值更为准确、客观。在静载和疲劳循环阶段,由于荷载较小,传感器测值也变化不大,通过肉眼观测未在传感器布控区域发现纵向承载裂缝。

2. 2 　破坏测试阶段

　　在破坏阶段,由于MTS 结构试验伺服系统的最大吨位不能满足将模型加载到极限破坏的要求,所以用MTS 结构试验伺服系统加载到844 kN 后(破坏前期) ,改用普通千斤顶做破坏加载试验(破坏后期) 。利用FBG 传感器测出的混凝土顶应变(缝宽) - 荷载关系曲线如图4 所示。

　　由于L1 、L4 各位于跨中面板的左右对称两侧,L2 布设位置与L1 很接近,三者均处于由负弯矩诱

发的高拉应力区。图4 的测试结果很好地反映了这种对称性,其测值远高于布控于跨中部位的L3 的测值。L1 、L2 、L4 的测值随荷载增长的变化曲线在120 kN 附近出现了拐点,此时L4 读数以应变表示为87με。当即目视检查混凝土表面,在FB G 裂缝传感器L4 布控区域未发现纵向承载裂缝。荷载135 kN 时,FB G传感器测值继续明显增大,L4 读数以应变表示为115. 6 με,相应位置的千分表读数反应明显,目视仍未发现纵向承载裂缝。至150 kN时,目视发现L1 、L2 、L4 传感器下方均已有连通的纵向裂缝,如图5 所示。L3 传感器布控部位在加载到300 kN 荷载之前,其测值非常小,只有几个到十几个微应变,但在加载到340 kN 荷载时,其值猛增到249με,其后保持此增长趋势直至破坏完成。说明300 kN 后,L3 布控部位已经开裂,此后随着荷载的增加,裂缝不断发展,直至达成破坏。

　　在破坏阶段,随着荷载的增加,应变片不断损坏,只有位于跨中部位的FBG 传感器L3 对应的4号应变片存活期稍长。L3 布控区域出现裂缝损伤之后(荷载> 340 kN) ,4 号应变片及其对应位置的FBG传感器L3 测值的比较如图6 所示。由于L3传感器布控部位已经开始有裂缝损伤出现,其测得值应为裂缝宽度,在图6 中应按右纵坐标读数,应变片测值按左纵坐标读应变值。

　　从图6 可以看出,若将FBG传感器测值以应变表示,在裂缝出现初期,应变片测值较FBG 传感器大,但随着荷载的增加,应变片测值增长较缓,而FB G传感器测值增长较快。这与理论分析和现场观察相吻合。因为每个FBG 裂缝传感器布控区域长达450～480 mm ,在裂缝损伤出现前, FBG 传感器L3 测得该区域的平均应变,较布控于结构跨中部位、感受最大拉应变的4 号应变片测值小。随着荷载的增加,裂缝扩展,使应变不断被释放,而应变的释放并不影响FB G 裂缝传感器测值(裂缝出现后,FB G 测裂缝宽度) ,使得应变片测值较FB G 传感器测值增长缓慢。

　　破坏后期,随着荷载的增大, FBG 传感器仍保持正常工作直至结构达成破坏。试验过程中, FBG传感器测得的值比用千分表直接测量裂缝宽度得到的值要大。其原因应为: FBG 传感器测得的是布控区域总的裂缝宽度,包括微裂缝,而千分表测量的只是主要的几条大裂缝的宽度,而不包括微裂缝。

3 　结　论

　　本项工作首次将光纤光栅传感技术和电测应变片同时用于完成钢- 混凝土组合桥面板模型试验从静载到疲劳再到破坏的裂缝损伤全过程监测。在静载与疲劳试验阶段中,FBG传感系统检测到各级加载产生的应变值,其空间分布状态和变化过程与电测应变片测试结果吻合,结果说明直至疲劳试验结束模型处在弹性阶段,在裂缝传感器布控部位未出现承载纵向裂缝。在破坏阶段, FBG 传感系统测得混凝土顶裂缝损伤发生发展的全过程,测值演变规律性良好,符合一般经验和力学原理,并与目视检测等宏观现象相互呼应,验证了光纤光栅传感器应用于结构健康检测的可行性和先进性。在测试过程中,光纤传感系统十分灵敏,存活率高,经受住了300 万次疲劳循环测试及破坏测试。测试数据显示光纤光栅传感系统能够及早测报结构损伤的早期信号并追踪其发生发展的全过程及其空间分布状态。本项工作为桥面板组合结构的进一步优化提供了可靠有效的信息依据。

参　考　文　献:

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