不同封装方式的分布式光纤应变传递对比

2020-11-10王桂萱蒋园豪

土木工程与管理学报 2020年5期

王桂萱，蒋园豪，臧麒，赵杰，黄平

(大连大学土木工程技术研究与开发中心，辽宁大连 116622)

近年来，城市地下空间的开发和利用越来越广泛，在安全性方面给我们提出了更高的要求。伴随着地下深基坑的开挖，常会出现一些工程安全控制问题，比如深基坑的开挖会对临近的地铁、城市管线造成影响，以及隧洞开挖会对既有隧洞造成影响等。为了避免对周边环境造成影响，工程上通常会采用支护结构的施工方法来进行保护。但是支护结构在施工过程中不仅会造成周围土体沉降，而且还会对周边建筑物产生一定的影响，甚至会带来由于渗漏原因产生的严重施工风险。因此，在施工过程要对支护结构进行监测[1]。研究者及施工业者采用很多手段来进行施工监测，但现有的常规监测手段不能做到实时监测，尤其是只能进行点式的位移监测而不能实现连续应变、弯矩、不均匀沉降的测量，给项目安全带来了巨大挑战。

随着光纤传感技术的发展，分布式光纤传感器已广泛应用于许多领域，包括机械、航空航天结构监测、边坡工程等[2]。分布式光纤传感器具有长距离监测范围、灵敏度高、抗电磁干扰等优点[3]，可以解决基于离散式传感器的监测系统的低精度空间分辨率问题[4]。基于分布式光纤传感器的优点，近年来被大量用于工程监测方面。Mohamad等[5]采用BOTDR分布式应变传感技术监测在一个新建隧道下方的已有隧道结构性能，结果表明基于BOTDR的分布式光纤传感系统可实时监测隧道应变曲线及局部损伤情况。Klar等[6]通过在地下0.5 m处布设水平分布式光纤，提出一种基于BOTDA分布式应变光纤传感器监测隧道引起的地表沉降的方法，监测不同埋地深度隧道对地表沉降的影响。丁勇等[7]利用BOTDA分布式光纤传感技术监测地下连续墙的受力变形过程。毛江鸿[8]将BOTDA技术应用于结构应变和开裂监测中的关键技术，进行了分布式光纤监测结构开裂的试验研究。迟延光等[9]针对长距离地下油气管道因地质沉降导致管道应力破坏的问题，提出了基于BOTDR原理的分布式光纤应变检测方法。赵亚等[10]利用基于拉曼散射和光时域反射技术相结合的分布式光纤测温系统，对自来水管道进行泄漏检测和定位实验研究。

目前，分布式光纤在工程中应用越来越广泛，但存在的问题也引起了工程技术人员的注意。尤其是在复杂的混凝土施工环境下，分布式光纤封装保护问题最为突出[11]。封装保护厚度不够，容易造成光纤的损坏；然而封装保护过厚，也会引起应变传递不精确的问题。本文基于国家自然科学基金重点项目一部分研究内容，利用PPP-BOTDA原理的分布式光纤传感器，开展室内物理仿真试验，对裸光纤、紧套光纤、蝶形光纤这三种不同封装方式的分布式光纤进行应变传递对比研究，获得其应变传递系数，为实际工程应用提供参考和借鉴。

1 BOTDA技术基本原理

1.1 传统BOTDA原理

基于自发布里渊散射的BOTDR技术，拥有单端传感测量的优点，但由于自发布里渊散射光较微弱，检测比较困难，传感器性能受到很大的制约。而基于受激布里渊散射的BOTDA技术，检测信号强度较大，因此传感器的测量精度和传感距离可以得到有效改善。

BOTDA的工作原理如图1所示。BOTDA工作原理就是在光纤两端输入脉冲光和连续光，连续调谐两束光的频差。当这两束光的频差等于该出布里渊频移时，使得布里渊散射增益值最大。通过检测传感光纤中布里渊频移的变化量，并根据其与应变、温度之间的关系，从而实现应变和温度的分布式测量。

图1 BOTDA工作原理示意

1.2 PPP-BOTDA原理

传统的BOTDA技术测量精度较低，主要是由于空间分辨率过低。减小脉冲光的宽度能使得空间分辨率提高，但相对的会造成峰值信号减弱和布里渊增益谱展宽。PPP-BOTDA技术是在传统BOTDA技术上进行了改进，其工作原理主要是在输入脉冲光之前，加入一定的脉冲预泵浦光，以此来激发声子，并且调节好脉冲光和脉冲预泵浦光之间的功率比，降低多余的输出功率，如式(1)所示。

(1)

式中：RP为消光系数；CP为脉冲光功率；AP+CP为脉冲预泵浦光功率。

这种原理极大地提高了空间分辨率，进而增加测量的精度。本文所使用的NBX-6050型光纳仪就是采用PPP-BOTDA技术，该型光纳仪利用独创的脉冲预泵浦技术，突破以往的技术界限，使得空间分辨率达到10 cm，应变精度为±7.5 με。NBX-6050型光纳仪在监测的精度和性能方面都优于传统的监测手段，这种新型的光纤传感系统应用于土木工程的诸多领域，如桥梁工程、隧道工程、大型钢结构等的健康监测。其仪器及工作原理如图2所示。

图2 NBX-6050型光纳仪及PPP-BOTDA工作原理

2 应变传递系数

光纤主要是玻璃纤维材料，这种材料抗剪能力比较差，在使用光纤过程中需要进行保护，而保护所采用的材料与纤芯材料会给应变传递带来影响。Ansari等[12]在短纤维复合材料剪滞原理上，重新推导了光纤应变传递系数的公式，并通过试验对公式进行了验证，推动了光纤应变传递系数理论的发展。

其理论基本假设为：光纤、涂覆层和基体结构均为线弹性材料，各材料之间无相对滑移，且在光纤标距中点处应变相等；纤芯和包层材料相同，机械性质相同；光纤不承受外力荷载，涂覆层仅承受剪切应力，基体结构只承受平行于光纤轴向的正应力。

从上述理论假设推出光纤纤芯应变与基体结构应力之间的关系为：

(2)

(3)

光纤传感器的平均应变传递系数为：

(4)

式中：εg为光纤纤芯应变；σm，Em为基体结构的应力及弹性模量；x为光纤传感器上的点到传感器端点的距离；L为光纤长度；GP为涂覆层的剪切模量；Eg为光纤模量；rm为涂覆层直径；rg为光纤直径。

毛江鸿等[13]根据多中间层剪滞理论，在此基础上进一步研究，得到光纤与基体之间的应变传递公式：

(5)

式中：εf(x)为纤芯应变；εm为基体应变。

3 试验研究

3.1 试验设计

根据GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》[14]中的相关规定，设计六根钢筋混凝土简支梁，其截面尺寸为150 mm×250 mm，长为1800 mm，混凝土强度为C30。受拉区设置2根直径为16 mm的HRB400钢筋，受压区设置2根直径为8 mm的HRB400钢筋，箍筋设置为直径8 mm、间距200 mm的HRB400钢筋。

将裸光纤(带涂覆层的光纤)、紧套光纤、蝶形光纤分别采用埋入式和粘贴式布置到简支梁试件中，每种封装方式的光纤布置2根梁，其封装如图3所示。在混凝土内部，主要布置在钢筋的受拉区和受压区，上下钢筋的两条光纤保有2 m长的自由段光纤。三种光纤除封装方式不同外，其内部光纤材料都相同，具体材料参数如表1所示。

图3 各封装方式光纤

表1 内部光纤材料参数

粘贴时，先将光纤拉直，再进行局部定位固定，然后涂上环氧树脂，待24 h后环氧树脂固化，在钢筋上裹上一层纱布，使钢筋上的所有光纤都处在布条的保护中，防止混凝土浇筑振捣过程中破坏光纤。同时，在受拉侧钢筋上表面和受压侧钢筋的下表面各布置了7 个精度较高的电阻应变片，如图4 所示。在混凝土外部，将三种封装方式的分布式光纤分别粘贴于混凝土梁底部，粘贴长度为1 m，并在相应位置粘贴5个混凝土应变片。

图4 钢筋上应变片粘贴方式/mm

3.2 试验方法

根据GB/T 50152-2012《混凝土结构试验方法标准》[15]，对6根试件进行四分点简支梁试验，在两个三分点处施以等大的集中力，使梁的中间段受力呈现纯弯矩效果，两边则呈现具有等应变梯度受力效果(图5)。实验采用大连理工大学海动国家重点实验室结构大厅的液压式压力试压机YES-500，对简支梁进行集中荷载施加，每级加载速度控制为10 kN/min，并持载10 min，共分为7个荷载等级，即分别施加10，30，60，90，120，150，162 kN，直到梁发生破坏为止。在持载时间段，使用日本Neubrex公司生产的NBX-6050光纳仪采集分布式光纤数据，光纳仪的采集参数设置如表2所示。采用德国进口的IMC应变采集仪，采集电阻应变片数据。IMC拥有64个数据采集通道，精度优于0.1%；且每个通道都可用来测量电压、电流、应力应变、位移，每个通道有独立16位A/D，其采集频率为50 Hz。

表2 光纳仪参数设置

图5 试验数据采集、试验加载及梁破坏

4 试验结果

4.1 分布式光纤与应变片结果对比

分布式光纤监测结果比应变片监测结果更能描绘简支梁整体应变变化过程。如图6所示，应变片只能采集布置好点位置处的应变，这样很难精确地看出整体应变的变化趋势，而分布式光纤能够沿着布设的线路采集应变，可以较为精准地呈现出应变变化的趋势。

图6 分布式光纤和应变片数据对比

分布式光纤能够克服电阻应变片容易损坏的短板，这点显著表现在混凝土受拉区。在混凝土受拉区，分布式光纤至少能够采集到120 kN作用下的应变，而电阻应变片在90 kN荷载作用下就已经出现损坏。

从应变采集呈现的变化趋势，以及抗损坏能力这两个方面，可以看出分布式光纤用于监测优于电阻应变片。

4.2 应变传递对比

试验关于应变传递研究主要包括钢筋受拉区应变传递对比、钢筋受压区应变传递对比、混凝土受拉区应变传递对比以及不同粘贴方式应变传递对比。应变传递系数为纤芯应变与基体应变的比值，由于钢筋混凝土简支梁体积较大，破坏过程涉及弹塑性，很难精准掌握其基体应变。本文参考电阻应变片测量值作为基体应变，与其做对比的理论值是由毛江鸿等[13]提出的分布式光纤应变传递公式得到。

4.2.1 钢筋受拉区应变传递对比

图7～9是三种不同封装方式的分布式光纤，其所在的钢筋受拉区在不同荷载作用下的应变传递系数分布。从图7可以看出，裸光纤应变传递系数随着作用荷载不断增加而增加，尤其两端表现最为明显。这可能由于简支梁破坏荷载较大，随着荷载增大，应变采集越来越精准。裸光纤中间的应变传递系数比较稳定，其值在0.935左右，较为接近理论值。从图8可以看出，紧套光纤应变传递系数规律和裸光纤相同，其中间的应变传递系数在0.929左右。从图9可以看出，蝶形光纤应变传递系数波动较大，因为蝶形光纤封装较厚，在钢筋上受混凝土骨料挤压，应变测量不够精准。随着荷载的增加，应变传递系数呈现增大的趋势，但是应变传递系数整体偏小，其中间应变传递系数在0.527左右。

图7 裸光纤应变传递系数

图8 紧套光纤应变传递系数

图9 蝶形光纤应变传递系数

从应变传递效果来看，裸光纤的传递效果最好，蝶形光纤传递效果最差，各光纤中间应变传递效果比两边应变传递效果好；从封装保护效果来看，蝶形光纤保护最好，能够一直采集到162 kN荷载作用，其次为紧套光纤，裸光纤较差，120 kN以后就发生损坏。

4.2.2 钢筋受压区应变传递对比

图10～12是三种不同封装方式的分布式光纤，其所在的钢筋受压区在不同荷载作用下的应变传递系数分布。从图中发现，裸光纤和紧套光纤在10 kN荷载下，应变传递系数波动较大，这是由于光纤应变测试值阶跃性较大。尽管NBX-6050光纳仪精度较高，但是在这种小应变的作用下，高空间的分辨率对其测量值的稳定性还是有一定的影响。裸光纤整体规律与前面一致，其中间应变传递系数在0.91左右。紧套光纤应变传递系数整体分为两个部分，在30～60 kN作用时，中间应变传递系数在0.865左右；在90～120 kN作用时，中间应变传递系数在0.916左右。从图12可以看出蝶形光纤波动较大，这是由于粘贴分布式光纤时，为了避开箍筋的干扰，在受压区粘贴的光纤都布置在钢筋下方，蝶形光纤自身封装较厚可能出现滑移，导致测量数值不精准。从钢筋受压区和受拉区应变传递对比来看，钢筋受压区得到的应变传递系数比受拉区应变系数小，说明应变传递系数与粘贴长度也有一定的关系[16]。

图10 裸光纤应变传递系数

图11 紧套光纤应变传递系数

图12 蝶形光纤应变传递系数

4.2.3 混凝土受拉区应变传递对比

图13～15是裸光纤、紧套光纤、蝶形光纤三种不同封装方式的分布式光纤，其所在的混凝土受拉区在不同荷载作用下的应变传递系数分布。从图中看出，三种封装方式的分布式光纤应变传递只进行到了60 kN作用下，这是由于梁加载到90 kN时，底端粘贴的应变片已经发生破坏。而裸光纤可继续采集到120 kN作用下的应变值，紧套光纤和蝶形光纤均可以采集到150 kN作用下的应变值。与在钢筋上布设规律不同的是，三种分布式光纤刚开始作用时，其中间应变传递系数就已经稳定了。裸光纤在0.867左右，紧套光纤在0.761左右，蝶形光纤在0.534左右，而且蝶形光纤比布设在钢筋上效果好。但是总体来看，混凝土上布设的分布光纤的应变传递系数较钢筋上布设的小。

图13 裸光纤应变传递系数

图14 紧套光纤应变传递系数

图15 蝶形光纤应变传递系数

4.2.4 不同粘贴方式应变传递对比

进行埋入式和粘贴式两种方式应变传递对比，选取钢筋测点位置0.94 m处和混凝土测点位置0.9 m处，即进行同一位置，不同荷载作用下应变传递系数的变化比较。图16在钢筋布设中，裸光纤和紧套光纤都随着荷载增加，应变传递系数不断向1靠近，裸光纤在60 kN荷载作用之后其应变传递系数变化稳定。蝶形光纤在10 kN和162 kN作用时应变传递系数变化波动较大，而且总体应变传递系数较小，都在0.7以下。从图17中可以看出，在混凝土表面布设，三种分布式光纤应变传递系数都比较稳定，且随着荷载的增加，应变系数逐渐增大并趋于稳定。