FBG传感技术在桥梁桩基内力检测中的应用探析

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。