低周期循环荷载下内嵌式光纤光栅自感知钢绞线的性能

虞爱平 李俊宏 覃荷瑛

（1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004；2.广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林 541004）

钢绞线是斜拉桥或预应力混凝土结构中不可缺少的核心元件［1-2］，具有“牵一发而动全身”的作用。然而钢绞线在高应变低周期循环荷载作用［3-4］如地震作用下极易产生疲劳破坏。因此，实时监测低周期循环荷载环境下预应力钢绞线的受力状态对整个工程结构的安全和管养非常重要。光纤布拉格光栅（Fiber Bragg grating，FBG）传感器以光为传感媒介，具有传感特性稳定、精确度高、重复性强等优点，常用于结构构件的健康监测［5-6］。内嵌式自感知钢绞线［7-9］是将光纤光栅与钢绞线耦合而成的特殊钢绞线，具备良好的力学性能和监测性能。在钢绞线中心丝上设置凹槽，对中心丝进行预张拉后将光纤光栅封装在凹槽内，使得光纤光栅的监测量大幅度提升，同时提高了恶劣施工环境下光纤光栅在钢绞线中的成活率及使用寿命。

发生地震时，钢绞线的应变范围远远大于1%，当其寿命在100个循环周期以上时，就可以保证构件的安全。因此，在研究内嵌式自感知钢绞线的抗震性能时，应考虑其在高应变低周期循环荷载作用下的拉伸性能［10-12］。国外的研究、规范对钢绞线在循坏荷载下的应力控制、应力幅、试验加载频率和循环结束后的静力试验提出了标准及评价方法［13-15］。在国内，研究人员对钢绞线循环荷载作用下的拉伸性能进行了探索，肖赟等［16］从预应力钢绞线的疲劳断口分析得出其破坏过程是一个不断累积的扩展过程，并运用损伤剩余面积作为损伤量推导出预应力混凝土刚度退化分析模型。胡新舒［17］发现高强钢绞线混凝土在循环荷载作用下具有良好的抗疲劳性能。方峰等［18］通过对预应力钢绞线实际施工安全性进行分析，发现荷载因素对钢绞线循环拉伸性能有影响的相关问题。姜鹏等［19］通过雨流计数法［20-21］对国家500 m口径的天文望远镜所用钢绞线的不同应力幅进行次数统计，并通过试验解释了钢绞线循环荷载作用下破坏的主要原因为摩擦腐蚀［22］。

我国对内嵌光纤光栅的新型钢绞线性能的研究工作尚处于初始探索阶段，由于内嵌式自感知钢绞线是将光纤光栅传感器封装于钢绞线内部，在钢绞线承受较大应变和循环荷载作用时，保证其监测性能的有效性成为这种新型钢绞线具有实用性的关键。本文将中心丝持荷值、循环周期数、应力幅作为变化参数，对内嵌式自感知钢绞线进行低周期循环拉伸试验，研究光纤光栅对钢绞线受力状态的跟踪监测性能，以及试验结束后自感知钢绞线的力学性能，为其在实际工程中的应用提供理论依据。

1 内嵌光纤光栅自感知钢绞线低周期拉伸试验

钢绞线在循环荷载作用下，钢丝单丝之间会发生摩擦作用导致局部产生细微裂纹。当循环荷载持续一段时间后，钢绞线会造成损伤积累，细微裂纹会不断扩展直至构件断裂，这种现象称为钢绞线疲劳破坏。对于内嵌式自感知钢绞线，疲劳破坏不仅影响钢绞线本身的力学性能，还可能影响其内部的光纤光栅传感器在低周期循环荷载作用下的有效性。在实际工程中，钢绞线受到的疲劳应力常低于其屈服应力，当最大循环应力小于屈服应力时属于循环应力疲劳。低周期循环荷载试验所施加的荷载为恒幅应力循环荷载，恒幅应力循环是指在应力循环中，最大应力σmax和最小应力σmin恒定。应力幅σa为应力循环中的变化分量，其值为

根据GB/T 5224—2014《预应力混凝土用钢绞线》［23］的要求，低周期疲劳试验所用的试件长度应保证两夹具之间的距离不小于1 600 mm，夹持部分的长度约100 mm。取自感知钢绞线长度2 400 mm，自感知中心丝凹槽尺寸为0.4 mm（深）×1.0 mm（宽），光纤光栅传感器的长度取40 mm，黏结层厚度约0.3 mm。试件采用的钢绞线为1×7标准型钢绞线，公称直径15.2 mm，公称面积140 mm2，抗拉强度1 860 MPa，屈服荷载225 kN，极限承载力260 kN。制作自感知钢绞线时，先将钢绞线用机械打散，取中心丝进行一定荷载的预张拉，在持荷状态下用环氧树脂将光纤光栅传感器粘贴于中心丝凹槽内，待环氧树脂达到足够强度后卸载，制成光纤光栅自感知中心丝。将边丝与中心丝扭绞后对端部进行封装保护制成内嵌光纤光栅自感知钢绞线，如图1所示。

图1 自感知钢绞线封装保护

将中心丝持荷值、循环次数、应力幅作为变化参数。根据前期试验，中心丝持荷值取0.3Pb与0.4Pb（Pb为中心丝的极限承载力39.5 kN）时，监测量程提高效果最好；循环次数选择50次和200次作为对比；应力幅上限取0.8fptk，下限分别取0.1 fptk，0.4fptk，fptk为钢绞线的抗拉强度。设置8组试件，每组试件设置3根自感知钢绞线，试件加载参数见表1。

试验在张拉台座上进行，通过解调仪对光纤光栅传感器的波长变化进行监控，解调仪波长测量范围为1 525～1 570 nm，采样频率为1 Hz，波长精度为2.5 pm，分辨率为1 pm，试验装置如图2所示。加载方式为恒幅应力循环正弦加载，利用千分表记录不同应力幅及循环次数下的钢绞线应变。试件安装完毕后，从初始状态开始按每级10 kN进行加载，加载速度不大于100 MPa/min；加载至应力幅上限，持荷2 min后记录解调仪及千分表读数；逐级卸载至应力幅下限，卸载速度不大于100 MPa/min，持荷2 min后记录相应读数，根据试验设计进行50次或200次重复加卸载过程。循环加载结束后对内嵌式自感知钢绞线进行极限张拉力的测试，记录光纤光栅传感器能跟随自感知钢绞线的最大波长及千分表读数。

表1 试件加载参数

图2 试验装置

2 试验数据及结果分析

光纤布拉格光栅的中心波长与光栅折射率有关，当光波传输通过FBG时，满足布拉格光栅波长条件的光波将被反射回来。根据光谱特性可知，光纤光栅的中心波长为

式中：neff为光栅有效折射率；Λ为光栅周期。

当光栅外界环境物理量改变时，光栅周期随之改变，同时光弹效应会改变光栅有效折射率。当光纤只受轴力作用时，其光栅中心波长变化与应变的关系［24-26］为

式中：∆λ为波长的变化值；Kε为光纤光栅应变灵敏度；εg为光纤光栅感知应变。

2.1 自感知钢绞线低周期试验应变变化曲线

试件B⁃03和试件D⁃03为中心丝持荷值0.3Pb的自感知钢绞线，在1 302 MPa应力幅状态下进行循环荷载试验，试件B⁃03进行50次循环，试件D⁃03进行200次循环。试件应变-循环曲线见图3。

图3 试件应变-循环曲线

由图3可知：试件经过50次循环周期后应变随着循环次数的增加而减小，应变-循环曲线呈下降趋势；在经过150次循环周期后，应变-循环曲线下降的趋势减缓；当到达200次循环周期后应变-循环曲线慢慢趋于平稳。

通过对比千分表记录的钢绞线实际应变，以及按式（2）和式（3）计算得到的监测应变，检测在低周期高应力幅疲劳状态下自感知钢绞线的重复性能。试件B⁃04和试件D⁃04为中心丝持荷值0.4Pb的自感知钢绞线，在1 302 MPa应力幅状态下进行循环荷载试验，试件B⁃04进行50次循环，试件D⁃05进行200次循环。试件应变曲线对比见图4。

图4 试件应变曲线对比

由图4可知，监测应变曲线与实测应变曲线都呈现出良好的线性。经过50次循环周期后的监测应变约为6 500×10-6，经过200次循环周期后的监测应变约为6 200×10-6，均与实测值接近，二者平均误差在3%左右，在误差最大处监测值与实测值的偏差为4.8%，在合理的误差范围内。说明内嵌式封装技术的黏结材料和封装工艺对应变传递产生的影响较小，黏结光纤光栅传感器所用的高分子胶粘剂既能有效地保证光纤光栅黏结牢固，又能使光纤光栅与钢绞线在高应力状态下发生协同应变，体现了内嵌式自感知钢绞线的可靠性。

2.2 中心丝持荷值与自感知钢绞线波长变化关系

对比试件D⁃03和试件D⁃04的试验数据，分析在应力幅为1 302 MPa、循环次数为200次的恒幅应力循环试验下，中心丝持荷值在低周期作用下对自感知钢绞线的影响。试件波长变化曲线见图5。可知，中心丝持荷0.3Pb和0.4Pb的自感知钢绞线进行低周期循环试验时，其张拉力上限波长分别变化了0.603，0.713nm，下限张拉力波长分别变化了1.024，1.027 nm。对比发现2种不同的中心丝持荷值在200次低周期高应力幅循环状态下均有较好的稳定性，中心丝持荷值对自感知钢绞线波长变化的影响不明显。

图5 试件波长变化曲线

2.3 自感知钢绞线低周期疲劳性能分析

在经过200次循环周期张拉试验后，分别对钢绞线进行极限张拉力的测试试验，加载方案遵循静拉伸试验标准，以D⁃03组和D⁃04组为例进行数据分析。疲劳性能试验结果见下一页的表2。

由表2可知：

1）对于D⁃03组试件，其极限总波长平均值为14.82 nm，所能跟踪监测钢绞线的应变平均值12 354×10-6，所能跟踪监测的张拉力与钢绞线极限张拉力之比约为0.95，监测量程显著提高，且循环后依然能满足对钢绞线全生命周期的应力应变监测。

2）对于D⁃04组试件，其极限总波长平均值为14.79 nm，所能跟踪监测钢绞线的应变平均值13 775×10-6，所能跟踪监测的张拉力与钢绞线极限张拉力之比约为0.95，且其监测量程相比D⁃03组试件更好，约提升了12%。

2组试件在循环拉伸试验后均进行了静力拉伸试验，其中D⁃03组试件极限张拉力平均值为270.7 kN，D⁃04组试件极限张拉力平均值为272.7 kN，均满足GB/T 5224—2014中规定的最小张拉应力不低于92%fpm（fpm为钢绞线实测极限抗拉强度平均值）或95%fptk（取两者中的较大者）的要求，证明了内嵌式自感知钢绞线在低周期循环疲劳环境下其力学性能的可靠性。

内嵌式自感知钢绞线在荷载循环作用后的张拉应力高于公称钢绞线张拉力，监测量程也高于钢绞线的屈服强度，且其重复性好，线性度高，精度高，适用于实时监测预应力或桥梁结构中受力状态。地震的持续时间一般在1 min以内，频率在2 Hz左右，如唐山地震持续23 s，日本阪神地震持续20 s，美国EI Centro地震持续10 s［27-28］。根据地震的频率和持续时间可知，大约100个周期是结构最容易发生破坏的时期。通过对自感知钢绞线进行高应力幅低周期循环拉伸试验，证明了采用内嵌式封装技术能有效地保证传感器的存活率，可最大限度地监测钢绞线全生命周期的受力状态。

表2 疲劳性能试验结果

3 结论

1）内嵌式自感知钢绞线的应变，在循环次数较少时，变化较大且呈下降趋势；在经过一定的循环周期后，随着循环次数的增加，其应变变化开始趋于平缓；当经过200个循环周期后，自感知钢绞线的等幅应变基本处于稳定状态。

2）内嵌式自感知钢绞线通过波长推算出的应变与实测应变较为接近，两者平均误差在3%左右，在合理的误差范围之内，具有良好的可靠性。

3）内嵌式自感知钢绞线可以有效地监测钢绞线自身的受力情况，经历200个周期循环荷载后，具有良好的线性度和重复性，监测量程超过钢绞线屈服应力，能够实现对钢绞线全生命周期的应力应变监测。

4）凹槽封装光纤光栅能有效提高传感器的成活率且对钢绞线的力学性能影响很小。光纤光栅传感器对钢绞线在高应力幅状态下仍可保持可靠的监测性能，是一种有效的结构健康监测技术，有着广阔的市场发展前景。