基于内嵌式自感知钢绞线的预应力混凝土梁长期预应力损失监测

2021-10-14覃荷瑛韦健全

铁道建筑 2021年9期

覃荷瑛韦健全

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

自第一座后张法预应力混凝土桥在德国建成之后，预应力混凝土得到了快速发展。然而，在长期的服役过程中，钢绞线的应力松弛、混凝土的徐变收缩、钢绞线与孔道的摩擦、锚固装置的变形等因素导致结构中的预应力减小，甚至会引发事故。因此，监测预应力结构的预应力损失，对于预应力结构安全使用具有重大的意义［1］。预应力监测方法主要有两种：一种是将原结构开孔，对钢绞线进行监测，但是这种方法对结构有一定损伤，另一种是无损监测技术［2］。

1997年Ahlborn等［3］采用声发射技术对两座实际桥梁的预应力损失进行了监测，该技术的抗环境干扰性较弱。2000年Vimalanandam等［4］采用钢筋应力释放孔技术监测混凝土梁的剩余有效预应力，因其属于局部破损方法，且操作繁琐而受限制。2002年Chen等［5］使用超声波检测法对结构的预应力损失进行了监测，但实际工程中不适合大规模使用。其他监测方法存在一定的局限性，如导波法［6］因技术原因无法大范围推广；频率法［7］考虑的因素较多，如拉索端部约束至少有一侧为刚接等；振弦式传感器［8-9］的有效性和长期可靠性还需要探讨；弹磁性传感器［10-11］容易受电磁干扰而影响监测过程。这些监测方法的缺点是灵敏度低、长期稳定性差、寿命短，测量易受环境影响，不能进行分布测量，无法监测结构内部的预应力损失，难以满足实际工程的需求。光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）具有体积小、耐腐蚀、传输距离远、不受电磁干扰，可以埋入结构内部等优点［12］，可以很好地弥补传统监测技术的不足，得到许多学者的关注并广泛应用于预应力结构健康监测中。刘文涛等［13］利用光纤光栅传感器对桥梁预应力进行了监测。邓年春等［14］发现光纤光栅可对预应力钢绞线进行有效的预应力测量，且线性度较好。董海等［15］首次将一种基于光纤传感技术的新型缓黏结预应力智能钢绞线应用于大跨度缓黏结预应力混凝土结构的预应力损失监测与安全评估工程实践中。王天昊等［16］通过分析混凝土收缩徐变引起的预应力损失机理，提出基于光纤传感技术的预应力混凝土收缩徐变单项损失测试方法。

内嵌式自感知钢绞线［17］是将光纤光栅传感器嵌于中心丝内，避免裸光栅在没有保护的情况下损坏折断，提高了存活率，能够有效监测结构服役期间的预应力变化。

本文采用后张法预应力混凝土梁，制作内嵌式自感知钢绞线并进行重复拉伸试验，对自感知钢绞线的试验环境进行简易模拟，研究自感知钢绞线在碱性灌浆料环境中的工作性能，然后浇筑预应力混凝土梁并进行长期应力损失监测。

1 长期预应力损失的计算

1.1 预应力钢筋松弛引起的预应力损失

预应力钢筋在长期保持高强度拉应力的工作状态下，其长度保持不变，应力会随着时间的增长而降低，从而引起预应力损失σl5，由钢筋松弛引起的预应力损失按JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》进行计算，即

式中：ψ为张拉方式影响参数，一次张拉时ψ=1.0；ζ为松弛系数，普通松弛（Ⅰ级松弛）时ζ=1.0，低松弛（Ⅱ级松弛）时ζ=0.3；σpe为后张预应力钢筋传力锚固后的应力，σpe=σcon-σl1-σl2-σl4，σcon为控制应力，σl1为预应力筋与管道壁之间摩擦引起的预应力损失，σl2为锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的预应力损失，σl4为混凝土弹性压缩引起的预应力损失；fpk为预应力钢筋的抗拉强度标准值。

1.2 混凝土收缩徐变引起的预应力损失

收缩和徐变会使混凝土的长度缩短，导致预应力钢筋回缩而产生预应力损失。该项损失的影响较复杂，JTG 3362—2018给出了用于构件截面受拉区和受压区混凝土收缩徐变应力损失的近似计算公式，即

式中：σl6、σ′l6分别为构件截面受拉区和受压区预应力钢筋合力作用位置由混凝土收缩徐变引起的预应力损失；αEP为预应力钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值；σpc、σ′pc分别为构件截面受拉区和受压区全部钢筋合力作用位置由预应力钢筋产生的混凝土截面正应力；φc(t，t0)为加载龄期为t0、计算考虑龄期为t时的徐变系数；Ep为预应力钢筋的弹性模量；εcs(t，t0)为预应力钢筋传力锚固龄期为t0、计算考虑龄期为t时的混凝土收缩应变；ρ、ρ′分别为构件截面受拉区和受压区全部钢筋的筋率，ρ=(Ap+As)/A，ρ′=(A′p+A′s)/A；Ap、A′p分别为构件截面受拉区和受压区预应力钢筋的截面面积；As、A′s分别为构件截面受拉区和受压区非预应力钢筋的截面面积；A为构件截面面积，后张法中A=An，An为净截面面积；；i为界面回转半径；eps、e′ps分别为构件截面受拉区和受压区全部钢筋合力作用位置至构件截面形心轴的距离，分别为构件受拉区、受压区预应力钢截面重心至构件截面重心的距离；分别为构件受拉区、受压区纵向普通钢筋截面重心至构件截面重心的距离。

2 钢绞线的重复拉伸试验

2.1 光纤光栅原理

光纤光栅纤芯的折射率呈周期性变化［18］。FBG的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期Λ和反向耦合模的有效折射率neff，任何使其改变的物理过程都将引起光栅Bragg波长λB的漂移［19］，则有

当只受轴力影响而忽略温度变化时，波长的变化与应变的关系［21］为

式中：Δλ为波长的变化值；μ为泊松比；P11、P12为光弹效应系数；P为光弹系数；ε为应变；Kε为FBG应变灵敏度。

2.2 试件制作

采用1×7标准低松弛预应力钢绞线制作内嵌式自感知钢绞线，公称直径15.2 mm，截面面积140 mm2，极限抗拉强度fptk=1 860 MPa（对应极限张拉荷载Pb=260 kN）。制作时先将钢绞线机械打散，抽出中心丝并在中心丝上沿长度方向刻制一条1 mm（宽）×1 mm（深）的凹槽，在预张拉条件下用环氧树脂封装光纤光栅，再将中心丝与边丝重新捻合，在端部进行保护并接出引线，见图1。

图1 自感知钢绞线实物

为探究FBG自感知钢绞线在使用过程中重复率和线性度的情况，对其进行重复张拉试验。试验共制备4根相同型号的FBG自感知钢绞线，编号T1—T4。单根钢绞线长9 m，为了方便测试数据，加长了封装的引线，即内嵌9.906 m串联高强度光纤光栅（两端引线长453 mm），每根钢绞线内串联5个光纤光栅传感器。具体布置方式见图2。

图2 光栅点布置（单位：nm）

张拉设备使用YCM100B⁃200穿心式千斤顶及智能张拉控制系统，光纤光栅解调仪为Agilent86142B光谱仪，解调波长范围为1 525～1 565 nm，采样频率1 Hz，波长精度2.5 pm，分辨率1 pm。

2.3 加载步骤

①对自感知钢绞线进行预张拉，荷载为10%Pb，使锚具加紧，并检查各设备工作情况，确认无误后卸载；②采用逐级加载的方式进行张拉，以每级5%Pb的拉力将钢绞线的荷载从0逐级增至80%Pb，每级荷载持荷5 min，待光纤光栅波长稳定后记录波长；③最后一级张拉荷载达到195 kN时，保持荷载10 min，确认光纤光栅传感器的跟随状态，是否有损毁，若无损毁则记录数据，继续试验；④逐级卸荷至0，重复加卸载2次；⑤加载剩余的自感知钢绞线。

2.4 数据分析

以自感知钢绞线应变为横坐标，光纤光栅传感器的中心波长为纵坐标，将循环加载试验的中心波长数据与千斤顶的张拉荷载进行线性拟合，第1根钢绞线自感知应变-波长拟合曲线见图3。其余3根钢绞线拟合曲线规律与图3相似。

图3 自感知应变-波长拟合曲线

由图3可知：在同一根自感知钢绞线中，光栅点处的应变与波长具有良好的线性关系，数据稳定，没有突变；五个光栅传感器响应灵敏，能够与钢绞线协同变形。三次加卸载中的拟合直线几乎重合，传感器并没有因多次张拉产生明显的波长漂移。根据图3得到每个测点的拟合方程基本一致，各光纤光栅传感器拟合准确度高，相关系数均大于0.99，且量程均超过7 000×10-6，证明内嵌式自感知钢绞线可靠，可以应用到实际工程中。

3 碱性水泥浆环境下的模拟试验

内嵌式自感知钢绞线作为一种新型监测手段，其在混凝土环境下的可靠性及传感系统的失效机理尚不明确。由于钢绞线的耐久性较好，光纤光栅耐腐蚀性较强，在正常使用情况下，自感知钢绞线封装部位的胶粘剂可能最先失效。为研究自感知钢绞线在碱性灌浆环境中的工作性能，在进行长期预应力损失监测之前，须对自感知钢绞线的试验环境进行模拟，判断胶粘剂是否失效。

由于自感知钢绞线的薄弱部位位于中心丝的封装部分，直接用自感知中心丝进行试验，不仅可以直接对封装部分进行腐蚀，还易观察封装部分的受腐蚀情况。自感知中心丝的制作过程与自感知钢绞线的制作过程类似，仅少了最后一步重新捻合的过程。

取3根长度为1.5 m的自感知中心丝分别置入长为1 m波纹管中，灌注水灰比为0.45的硅酸盐水泥浆，用来模拟钢绞线的碱性工作环境。3组试件编号为S1—S3，置于与试验梁同等环境下分别模拟养护10、20、60 d，养护期满后敲碎外裹水泥块取出自感知中心丝。不同试件自感知中心丝养护前后的情况见图4。

图4 水泥浆试件

试验现象：养护至10 d的S1试件在剥离外裹的水泥包层后，钢绞线仍保持清晰光泽，未出现腐蚀坑，胶粘剂紧贴凹槽，化学性质稳定。养护至20 d的S2试件，胶粘剂表面出现少许黑色斑点，但并未影响其黏结性能。养护至60 d的S3试件，胶粘剂表面吸附了硬化的水泥粉尘及水泥小颗粒，但胶粘剂的化学性质仍稳定，能提供有效黏结力，并未出现失效脱落现象。可见，碱性介质对环氧类胶粘剂具有一定的腐蚀性，而普通硅酸盐水泥的凝固时间较快，虽然会与胶粘剂产生化学反应，但反应时间短、接触面积小，中心丝的封装结构并不会因此产生大面积损坏。这说明内嵌式自感知钢绞线在碱性水泥环境下能保持正常的监测性能。

4 预应力混凝土梁长期预应力损失监测

4.1 混凝土矩形梁设计及制作

依据GB 50010—2010《混凝土设计规范》对试验梁进行设计。试验梁全长7 m，截面尺寸为300 mm（宽）×550 mm（高），保护层厚度为25 mm。选择C30商品混凝土，梁底部纵向受拉钢筋为2φ22的钢筋；顶部架立筋为3φ10的钢筋，对称布置；中部腰筋为4φ12的钢筋，每侧两根；箍筋端部加密区φ8@100，中部非加密区为8@200。为避免梁端在施加预应力期间产生局部破坏，在靠近梁端附近配置间距为50 mm的锚下空间网状加强钢筋，并于梁端增设300 mm×300 mm×10 mm的方形钢垫板。本次试验共浇筑2根预应力混凝土梁，编号B1、B2，每片预应力梁布设两根FBG自感知预应力钢绞线，预埋波纹管成孔。钢绞线编号规则如下：G1、G1'为B1梁内钢绞线的编号，G2、G2'为B2梁内钢绞线的编号。B1梁采用直线型预应力孔道，B2梁采用中心对称的曲线型预应力孔道。测点布置见图5。

图5 梁内光栅测点布置（单位：mm）

对应于P1、P2、P3、P4、P5监测点的光纤光栅传感器的初始中心波长分别为1 532、1 541、1 538、1 550、1 555 nm。曲线型孔道梁中，P3位于梁中点，P1、P5位于钢绞线起弯点，而P2、P4分别位于钢绞线弯起的最高点与最低点。

4.2 长期预应力损失监测

随时间变化而不断增大的预应力损失一般称为长期预应力损失，这一损失主要由预应力筋松弛引起的预应力损失和混凝土收缩徐变引起的预应力损失两部分组成。由光纤光栅的作用机理可知，FBG自感知绞线基于钢绞线的应变测试数据计算得到预应力损失。由于钢绞线是定长的，因此钢绞线应力松弛引起的预应力损失无法通过内部埋设的FBG传感器来进行测量，说明通过内嵌式自感知钢绞线测得的数据就是由于混凝土收缩徐变引起的预应力损失。为了得到预应力混凝土梁的长期预应力损失，须考虑JTG 3362—2018计算的σl5作为钢绞线的预应力损失。

在712 h（约30 d）的时间段内对自感知钢绞线进行数据采集，将FBG传感器的监测结果绘制成时间—应变曲线，见图6和图7。横坐标中的0是从钢绞线张拉锚固完成的那一刻开始起算。由图6和图7可知：①FBG传感器在监测时段内能够保持良好的工作性能，不同时间段监测到的应力虽有一定程度的波动，但仍处于合理区间。②应力前10 d损失较快，随着时间的增长，应力变化率趋于平缓，与理论变化规律相符；③同一钢绞线中各测点的应变曲线形状基本一致，变化幅度接近，说明由混凝土收缩徐变引起的钢绞线应变变化较为均匀，大小与监测点在钢绞线中的分布位置并没有太大关联；④由于两种预应力损失不同，各钢绞线的初始应变有一定的差异，其应变曲线存在细微差别，但总体上呈逐渐递减的趋势，且时间越长应变递减速率越慢。

图6 B1梁钢绞线时间-应变曲线

图7 B2梁钢绞线时间-应变曲线

根据JTG 3362—2018计算30 d监测期内由钢绞线松弛引起的预应力损失σl5。将计算的σl5与监测得到的混凝土收缩徐变引起的预应力损失σl6相加作为钢绞线长期预应力损失，见表1。可知，B1梁与B2梁各测点对应的长期预应力损失相差不大，但B1梁的长期应力损失大于B2梁的长期应力损失，说明孔道布置方式对长期预应力损失有一定的影响。

表1 钢绞线应力损失 MPa

4.3 对混凝土收缩徐变计算公式的修正建议

由于JTG 3362—2018中考虑的因素与实际工程有差异，不能精确计算预应力损失，而内嵌式自感知钢绞线直接通过混凝土的收缩徐变来计算预应力损失，与实际工程中的预应力损失更吻合。将混凝土收缩徐变引起的预应力损失实测值与规范计算的理论值进行对比，发现实测值均大于理论值。两者之间存在一个修正系数k，即

式中：k为修正系数，取1.4～1.6。

4.4 长期预应力损失率及误差分析

将长期预应力损失与控制应力相比得到预应力损失率，实际损失率与理论损失率的差值为相对误差，计算结果见表2、表3。

表2 B1梁长期预应力损失

表3 B2梁长期预应力损失

由表2和表3可知：直线孔道B1梁最大长期预应力损失为90～100 MPa，占张拉控制应力的7%；曲线孔道B2梁最大预应力损失为60～70 MPa，占张拉控制应力的5%；各测点预应力损失与理论计算值的差值在0～20 MPa，相对误差在17%以内，最大误差16.84%。曲线孔道的计算修正值比直线孔道的计算修正值小，导致曲线孔道的误差较大，约为直线孔道的1.7倍。实测预应力损失与理论损失之间具有一定偏差，但仍处在合理范围内。主要原因是σl5与σl6的计算方法仅是在理论上提出的一种计算预应力损失的参考方法，与实际工程相比存在一定误差。