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FBG传感技术在桥梁桩基内力检测中的应用探析

2021-06-21王为民福建省建筑工程质量检测中心有限公司福建福州350001

安徽建筑 2021年6期
关键词:内力桩基荷载

王为民 (福建省建筑工程质量检测中心有限公司,福建 福州 350001)

1 引言

在桥梁柱基浇筑过程中,钢筋与混凝土之间的摩擦相对较大,钢筋表面所粘贴的应力计和应变片断裂的概率也会随之加大。与传统检测方式相比,FBG传感器技术的优点极为显著,具体表现为高精度、耐久性强、抗干扰能力强和寿命长,目前,该技术已经在桥梁工程领域广泛应用,且取得了良好的应用效果。因此,研究这项技术在桥梁桩基内力检测中的应用,具有十分重要的意义。

2 FBG传感技术的优势及原理

2.1 优势

在桥梁桩基中,钻孔灌注桩这种结构形式十分常见,其施工质量与桥梁安全性和稳定性存在密切的关联。桥梁桩基作为地下隐蔽工程,施工地点主要位于地下或水下,具有现场监控难度大的特点,再加上桩基施工工序较多,且需要密切配合,如果施工质量不达标,极易引发一系列的质量缺陷。比如:夹泥、扩径、断桩、缩径等,这些缺陷的出现,会使桩身完整性和承载能力受损,因此,在施工阶段,需要采取有效的技术措施,检测钻孔灌注桩的桩身质量。

目前,常用的检测方法分为三种:①超声波透射法;②静载试验法;③桩基动应变检测法。就总体应用范围来看,静载试验法的应用最为普遍,这种方法在应用过程中,需要将应变片和钢筋应力传感器埋设到桩身的不同部位,以此来获取桩土作用规律以及荷载传递规律等信息。但传感器和应变片容易在钢筋和混凝土摩擦力的作用下断裂,成活率偏低,且这种传感器属于点式传感器,存在精度、灵敏度和抗电磁干扰能力不强的缺陷,逐渐与要求不符。而FBG传感技术与之相比,则具有显著的优势。具体表现为光纤光栅传感器的传输方式,以信号传输为主,传感器重量轻、体积小、抗干扰性强,在使用寿命和信号传输距离上的优势极为显著。同时还能与粘贴物体同时变形,不会对监测结构的材料及力学性能造成影响,属于传统点式检测技术的进一步发展和延伸。

2.2 测量原理

3 工程案例介绍

3.1 工程概述

某单联三跨变截面连续箱梁的长度为110m,桥梁的宽度为40m,跨径布置为30+40+30。河道中心是布置点,共分为两幅,分别为左幅桥和右幅桥。其中,单幅桥的宽度为20m,其中人行道为5m,车行道为13m,防撞栏为2m,三者相加为20m。桥梁工程纵断面如图1所示。

图1 桥梁工程纵断面

考虑到工程所处位置是滩涂地,碎裂状裂隙岩在岩层中的占比较大,地基基础较差,为保证桩基质量和完整性,因此,在正式施工开始前,需要通过静载荷载试验和桩身内力测试的方式,对桥梁桩基的承载性能进行明确。本文以其中某一根桥梁桩作为试验对象,应用FBG传感技术说明测试结果。试验桥梁桩的混凝土强度等级为C35,其长度为2m,直径为1.8m。

在本次试验中,所选择的反力装置为压重平台和试验块,所采用的方法为慢速维持荷载,为实现对侧桩顶部荷载作用下桩身应力和桩基效果的准确测量,试验人员将20个FBG传感器和应力计设置到主筋上,这里所说的主筋,是与钢筋笼相对称的主筋。出于将FBG传感器在桩基中垂直铺设的考虑,在固定过程中,试验人员对传感器进行了预拉应变的施加。与此同时,还对位于桩基底部的传感器进行U形连接,并确保传感器所处位置与主筋测表面相接近。对于已经铺设的传感器,其接线应该在桥梁桩顶端预留一定的长度,通常情况下不得小于3m。在获取试验数据时,所采用的装置为光纤光栅应变采集仪。为规避混凝土养护破坏传感器接线,还要对其采取有效的防护措施。

3.2 计算桩身内力的方法

在进行单桩竖向静荷载试验的过程中,应该在桩顶圆心位置使用千斤顶,通过这种方式,模拟荷载施加的过程,究其原因,主要是这种荷载施加方式,可以有效规避偏心现象。若桩基的长度由H表示,遵循自上而下的原则,将桩基分为x个单元,则单元长度可用公式l=H/x计算。将若干个FBG传感器布置到桩基纵向主筋的左右侧,通过测量得到的结果为桩基轴向应变。与理论力学知识相结合,可知任意深度z处的轴力可以由下述公式表示:

将桩身竖向荷载传递关系作为依据,可得到关系式(3):

在公式(3)中,桩侧摩擦力由qs(z) 表示;平均应变变化量由Δε表示;桩身相邻计算单元间距由ΔZ表示。

4 试验检测结果分析

4.1 应变检测结果

在不同等级荷载的作用下,FBG传感器得到曲线如图2所示,观察图片后得知,桩身两侧光纤传感器所获取的应变分布曲线大致相符,呈对称关系,这表明测量区域的施工质量较高,混凝土灌注并不存在质量缺陷。同时,还能发现在部分检测断面上,应变分布曲线有所波动,究其原因,主要是后期注浆阶段,混凝土浆液在桩土界面上流动不均匀,此外,桩身材料不均匀同样是引发此类现象的成因。将上述公式作为依据,可以对不同的荷载等级下的桩身轴力和侧摩阻力进行计算,并得到如下结论:

图2 桩身应变分布图

在观察图3和图4可知,在相同等级荷载作用下,桩基深度与桩身轴力存在负向关联,具体表现为桩基深度越大,轴力越小。在桩身埋深为8m时,第一个拐点来临,其轴力快速下降,直至为零。在桩基埋深为8m范围内,深度和轴身摩阻力的关系为正相关,但这种关系在埋深超过8m后发生了变化,在分析原因后得知,桩基埋深超过8m后,覆盖桩基的土地会导致桩顶荷载被损耗。在荷载等级不断增加的趋势下,埋深不同的桩身,其轴力和摩阻力均显著增加,但轴力曲线分布呈相反的趋势,主要以减小为主,从侧面反映出,在加载初期,桩侧摩阻力的发挥并不完全,但在荷载等级增加后,摩阻力会被完全发挥。可见,在检测桥梁桩基内力中运用FBG传感技术,能够使桩土作用规律、荷载传递特性被充分反映。

图3 桩身轴力分布图

图4 桩身摩阻力分布图

4.2 FBG传感器和应力计的对比

为进一步明确FBG传感器的应用效果,本次试验将其与应力计测得的结果进行对比,对比结果表明,在试验桩最大荷载时,FBG传感器的结果与应力计测得结果大致相同,误差≤6%,如下表所示。这表明,将FBG传感技术应用到桥桩基内力检测中完全可行。

FBG传感器和应力计测得值对比

5 结论

综上所述,在科学技术高速发展的背景下,在建筑工程中应用现代科学技术,成为了建筑技术未来发展的趋势,FBG传感器技术就属于建筑技术与科学技术相融合的产物。试验结果表明,在桥桩基内力检测中应用这项技术,可以实现对桥梁桩身轴力和侧摩阻力的准确计算,并且在计算结果上与传统应力计大致相同,具备非常高的应用可行性,建议建筑行业予以重视。

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