光钎健康检测在钢筋混凝土梁中的数值验证

朱水文

摘 要：本文在已有光钎健康检测在预应力钢筋混凝土T梁静载实验结果的基础上，建立了有限元模型并进行计算。计算结果的变形模式和应变分布与光纤检测的结果吻合良好，验证了光纤智能筋对预应力钢筋混凝土梁健康检测的可靠性。

关键词：光纤;健康检测;钢筋混凝土;有限元

传统的结构安全检测方法，不但对结构进行实时监测，还可能对结构造成破坏。为改进传统的方案，越来越多的研究者和工程人员将光纤传感技术应用于结构工程检测领域， 以检测结构的内部温度、应力、应变及由外部荷载引起的損伤。先是欧美等工业发达国家将光纤传感技术应用于结构安全监控[1]，随后，我国工程人员研究也成功地将其应用于土木工程结构监测，并取得了一定的研究成果[2-5]。预应力钢筋混凝土梁静载实验，即是通过对梁体直接加载并利用各种试验仪器来检测梁体的应变和挠度，从而确定梁体在外力作用下所发生的变化和梁体的整体工作状态的。本文在已完成实验的基础上进行了有限元数值模拟工作。有限元数值模拟工作一方面是对试验结果的验证，另一方面，通过数值模拟，在证明模拟结果的正确的前提下，改变参数，可将试验结果外推，可以得到试验无法得到的结果，从而为制定相关标准、规范提供参考。

1 计算模型

按钢筋模拟方法的不同，钢筋混凝土有限元模型可分为组合式、整体式和分离式三种模型。本文采用了分离式建模方案，即钢筋和预应力筋都单独建模，通过CP（结点耦合）与混凝土单元连接在一起。Solid65单元模拟混凝土的单元。模拟钢筋、预应力钢筋选用了Link180单元。本文的计算没有考虑混凝土的开裂及钢筋的塑性，将整个计算控制在弹性范围内。

将T梁的左端底部进行X，Y，Z方向的位移约束，右端进行X，Y方向的位移约束。在梁的上部沿对称轴的1/4和3/4处分3级加载到16X104 N。

2 计算结果及分析

各级加载后的整体变形梯度是类似的，下图1是加载16 X104 N时候的整体变形图。

从图中可以看出，越靠近中部的地方，变形越大，这与实验结果比起吻合。

下面的图2是将梁挠度随载荷变化的实验的数据与数值计算数据进行比较。

从图中可以看出，但载荷在24吨以下时候，实验数据与数值模拟的结果比较吻合，但载荷进一步加大的时候，实验数据与数值模拟的结果偏差加大。可能的原因是，但载荷偏小的时候，钢筋混凝土梁处于弹性阶段，计算中的弹性本构关系满足实际情况，而载荷加大后，混凝土发生小裂纹，钢筋处于塑性阶段，以及混凝土与钢筋可能发生滑移等。

对比相同载荷作用下，跨中应变的变化，实验数据对比数值计算的数据普遍偏大，但实验数据与数值模拟结果在同一数量级上。从应变的变化规律上看，数值模拟的结果靠近上下端面的应变大，中间位置的应变下。与理论分析的情况比较吻合。

3 结论

应用大型通用有限元软件ANSYS对T梁进行分离式实体建模并计算，将计算结果与实验数据对比，发现对于T梁的整体挠度与应变，跟实验千分表数据吻合良好。本文的计算结果表明应用光纤智能筋对预应力钢筋混凝土梁健康检测是有效可靠的。

参考文献

[1]Nikles， M; Thevenaz， L; Robert， PA.Simple distributed fiber sensor based on Brillouin gain spectrum analysis.OPTICS LETTERS，1996，21（10）：758-760.

[2]Huang S L， Huang M S， et al .Distributed Fiber Optic Tensile Sensing Using Backscattering Brillouin Heterodyne[C] .SPIE ， 1995;2507：158-161.

[3]杜阳阳.无损检测技术在桥梁工程质量检测中的应用[J].交通世界，2019（17）：129-130.

[4]何爱勇，程华.光纤传感技术在结构工程检测中的应用[J].传感技术学报，2002，9（3）：211-214.

[5]潘超.无损检测技术在道路桥梁检测中的应用价值分析[J].低碳世界，2019，9（06）：236-237.