多测点自感知预应力钢绞线在月亮湾大桥中的应用

李梦果， 刘丰荣， 吴 尧， 魏 蔚， 朱万旭,*

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院， 桂林 541004； 2.广西智慧结构材料工程研究中心， 桂林 541004)

预应力混凝土结构是目前桥梁、核电站等大型建筑普遍应用的结构形式，而预应力钢绞线是预应力构件中的核心受力部件，其在施工张拉和服役过程中，由于种种因素会产生预应力损失，从而造成预应力水平降低和预应力分布不均匀，其自身的应力分布及变化又会直接影响受力结构的承载力变化，若钢绞线自身的预应力损失过大，受力构件可能在施工或使用过程中发生无征兆破坏。体内预应力钢绞线作为一个隐蔽部件，在实际工程中却难以对其应力分布和变化进行有效测量。因此，对体内预应力钢绞线的应力状态进行实时有效监测对了解和掌握受力构件自身乃至整个结构的安全状况具有重要意义。

目前可用于测量体内预应力的传统方法有磁弹法[1-2]和应力释放法[3-4]，受限于磁通量传感器只能安装于钢绞线外部，前者在工作时易受电磁干扰和波纹管套筒的影响无法对预应力状态进行精准测量，且该方法只能静态测量；后者虽可通过应变片测量出钢绞线不同位置的实际应力，测量误差控制在2%附近，但该方法属于局部破损技术，在机械切割时会导致钢绞线发生应力重分布，同时在切割钢绞线时释放的热量会形成虚假应变输出，对测量精度造成很大影响。光纤Bragg光栅(fiber bragg grating，FBG)传感器是近年来一种新型智能传感元件，它通过光栅反射的波长变化来感知外界物理量的微小变化，具有线性度高、抗电磁干扰能力强、体积小、布设简单方便、稳定性好，可对结构的应力应变进行高精度的测量等优势[5]，适用于预应力钢绞线的应力应变监测，但目前的应用监测对象多为斜拉桥拉索[6-7]、拱桥吊杆[8]和大跨径索网结构拉索[9]等体外索。为了将FBG传感技术应用于体内预应力钢绞线的应力应变监测，中外研究学者做了大量的研究工作，并探索出在钢绞线外围钢丝上布置FBG传感器[10]和利用FBG智能筋替换钢绞线中心丝[11-12]的2种方法，经试验验证，上述两种方法中的FBG传感器虽然可以成功监测钢绞线的应力状态和应变变化情况，但前者测出的外围单根钢丝应力值与钢绞线的实际应力有显著的差距，同时布置于钢丝外表面的传感器在恶劣的使用环境中极易损坏；后者极限抗拉强度仅达到普通钢绞线的88%左右，在实际工程应用中易产生智能筋被外围钢丝挤压变形破坏、高应力状态下外围钢丝与智能筋易滑移的问题；覃荷瑛等[13-15]和朱万旭等[16]改进研制出的内嵌FBG自感知钢绞线在保证抗拉强度不变的情况下，在复杂恶劣的施工环境中能实现对体内索体应力的有效监测。

现对自感知钢绞线进行张拉试验，计算其线性度和应变灵敏度，同时以月亮湾大桥为实际工程背景，利用自感知钢绞线的优势，对体内预应力索体张拉和锚固过程中的应力变化进行多测点实时监测，分析自感知钢绞线的应力状态变化，对比索体的应力监测值与理论值，验证内嵌FBG自感知钢绞线对体内预应力监测的精准性和可靠性。

1 光纤Bragg光栅监测原理

利用光纤Bragg光栅的反射原理，当光波传输通过FBG时，它能对满足Bragg反射条件的入射光波产生反射，其反射波波峰处波长λB为

λB=2neffΛ

(1)

式(1)中：Λ为光栅的周期；neff为光纤纤芯对中心波长的折射率。

当光纤Bragg光栅所处的环境发生变化时，FBG的折射率和周期会发生改变，其中心波长漂移Δλ与所受轴向应变的关系为

(2)

式(2)中：Δλ为波长的变化值；p11、p12为弹光效应的系数；v为泊松比；εFBG为光纤Bragg光栅应变；kFBG为光纤Bragg光栅应变灵敏度。

光纤Bragg光栅监测应变与钢绞线实际应变之间的关系[14]为

εFBG=ηεm

(3)

并将其代入式(2)得

Δλ=kFBGηεm=K′εεm

(4)

式(4)中：εm为钢绞线的实际应变；η为光纤Bragg光栅与钢绞线基体之间的应变传递率；K′ε为光纤Bragg光栅的监测应变灵敏度，其值可通过张拉试验确定。

钢绞线基体的实际应变与预应力之间的关系为

(5)

式(5)中：σp为钢绞线预应力；Ep为预应力钢绞线的弹性模量。

将式(5)代入式(4)可得光纤Bragg光栅波长变化量和钢绞线预应力之间的关系为

(6)

基于上述理论，自感知钢绞线在预应力作用下产生应变，同时以一定的传递率将应变传递给内嵌的光纤Bragg光栅，从而使光纤Bragg光栅的中心波长发生变化，进而测出外界变化的物理量。

2 自感知钢绞线的张拉试验

为保证自感知钢绞线监测数据的真实准确性以及在实际工程应用中监测体内预应力的可靠性，现对2根73.1 m长的自感知钢绞线进行3次张拉试验。在钢绞线中布置2个FBG测点，其中测点A距离锚具1.0 m，测点B距离锚具17.875 m。张拉试验的具体过程为：首先预加载到0.05Pn，检查钢绞线对中及解调仪采集波长数据的工作情况，检查设备正常工作后，卸载并记录初始波长数据；其次，在正式张拉时，对钢绞线进行分阶段、分级张拉：初始阶段采用0.1Pn进行分级加载，在荷载达到0.3Pn时，改按0.05Pn分级加载，直至张拉到0.81Pn；试验中钢绞线的张拉速度不大于100 MPa/min，每级张拉完成后持荷5 min，记录波长数据，其中Pn是钢绞线的极限承载力，Pn= 260 kN。

通过自感知钢绞线的张拉试验得到了大量的FBG波长数据，将对自感知钢绞线施加的张拉荷载作为横坐标，光纤Bragg光栅的中心波长作为纵坐标，对2根钢绞线的试验数据进行线性拟合，能够直观清晰展示出试验结果，如图1所示。

图1 张拉自感知钢绞线的FBG波长和荷载关系Fig.1 The relationship between FBG wavelength and load of tensioned self-sensing steel strand

图2 光栅波长变化量与自感知钢绞线应变关系Fig.2 The relationship between the wavelength change of the grating and the strain of the self-sensing steel strand

由图1可知，在3次张拉试验中，自感知钢绞线的荷载监测量程均达到了81%Pn，光纤Bragg光栅的中心波长随着钢绞线的张拉荷载的增大而不断增大，与理论上光栅受拉波长增大相吻合。在钢绞线张拉阶段，FBG传感器的监测数据体现了良好的线性规律，其中1号钢绞线测点A和测点B的非线性误差分别为ξL,1A=2.58%，ξL,1B=2.58%；2号钢绞线测点A和测点B的非线性误差分别为ξL,2A=2.28%，ξL,2B=2.50%。根据图2可知，1号和2号自感知钢绞线的应变灵敏度在1.09～1.13 pm/με范围，与1.21 pm/με的理论值误差极小，其最大监测应变达到7 661 με，说明自感知钢绞线的应变灵敏度高、监测量程大，可满足实际工程中的监测需求。

3 自感知钢绞线的工程应用

3.1 工程概况

月亮湾大桥为双塔单跨悬索桥，如图3所示，大桥全长751 m，桥跨布置为2×50 m预应力混凝土T构+465 m单跨悬索桥+6×30 m预应力混凝土简支T梁，主跨主梁采用双向预应力结构混凝土加劲梁。施工中选择纵向预应力钢绞线束N6中的2根体内预应力索体作为应力监测依托对象，内嵌FBG自感知钢绞线采用标准强度为1 860 MPa的Φ15.2 mm 钢绞线，布置总长度为73.1 m，锚具位于距钢绞线端部0.8 m处，测点A距离锚具1.0 m，距离钢绞线端部1.8 m；测点B位于体内预应力索1/4跨处，距离锚具17.875 m。钢绞线的锚下控制应力σcon为0.75fpk，即1 395 MPa，其中fpk为预应力钢绞线抗拉强度标准值，采用千斤顶一端张拉体内预应力索，在张拉过程中得到大量的光纤Bragg光栅波长监测数据，并通过光纤光栅解调仪进行波长数据采集，如图4所示。

图3 月亮湾大桥Fig.3 Moon Bay Bridge

图4 波长数据采集Fig.4 Wavelength data collection

3.2 应力状态分析

以张拉时间为横坐标，对应的监测应力为纵坐标，拟合自感知钢绞线在张拉过程中的应力变化图，其能够直观展示体内预应力变化的监测结果，如图5所示。

图5 自感知钢绞线的测点应力变化Fig.5 Self-sensing stress change of the measuring point of the steel strand

从图5可以看出， FBG传感器能对钢绞线在张拉、持荷以及卸载锚固的施工全过程的应力进行实时监测，FBG传感器存活率达到100%。在钢绞线0～100%σcon张拉过程，钢绞线的张拉应力虽然由于摩阻损失有一定的滞后性，但随着应力水平的提高，逐渐和张拉控制应力相吻合；在达到控制应力的持荷阶段，钢绞线的应力较为平稳；在千斤顶卸荷阶段，1#钢绞线在A、B测点的预应力下降平均值分别为35.91 MPa和31.42 MPa，即2.57%σcon和2.25%σcon;2#钢绞线在A、B测点的预应力下降平均值分别为55.97 MPa和39.48 MPa，即4.01%σcon和2.83%σcon，随后趋于一个稳定的范围，这是由于张拉端的千斤顶卸载，夹片楔紧过程中，钢绞线回缩造成了部分预应力损失，夹片和锚杯自锚完成后，钢绞线的应力趋于稳定。在千斤顶卸荷、完成后，测点B的预应力损失小于测点A的预应力损失，产生该现象原因是钢绞线回缩时会受到孔道壁反摩阻力，而预应力钢绞线在张拉端的回缩最大，该处的预应力损失也最大，越远离张拉端，受到的反摩阻力逐渐增大，预应力损失也就越小。

在张拉端的千斤顶卸载、预应力钢绞线锚固时会导致FBG传感器的中心波长会发生相应的动态变化，自感知钢绞线各测点在锚固后的“应力突降”阶段基本相同，说明了自感知钢绞线对应力监测具有高灵敏度的特点。

3.3 张拉应力值与实测应力值的对比分析

1#、2#自感知钢绞线在施工各阶段的张拉应力值与实测应力值对比如表1～表4所示。σt为自感知钢绞线的张拉应力值；σFBG为自感知钢绞线实测应力值；εFBG为自感知钢绞线的实测应变。

表1 1-A自感知钢绞线张拉应力值与实测应力值对比

表2 1-B自感知钢绞线张拉应力值与实测应力值对比

表3 2-A自感知钢绞线张拉应力值与实测应力值对比

表4 2-B自感知钢绞线张拉应力值与实测应力值对比

分析表1～表4的监测数据可得，自感知钢绞线最大监测应力为1 394.79 MPa，最大监测应变为7 153 με，达到了0.75fpk控制应力的99.98%。在张拉阶段，1#和2#自感知钢绞线各测点所测得的应力变化趋势基本一致，即钢绞线的有效预应力随张拉应力的增大而增大。2根钢绞线在相同测点的应力增幅以及实测应力存在一定的差值，这是由于在张拉钢绞线束时，长孔道中的钢绞线存在挤压与孔道摩擦现象。

通过数据可知，自感知预应力钢绞线上的A、B两个FBG测点能实时精准监测出测点所在位置的实际有效应力。张拉应力在0～0.6σcon范围内时，钢绞线的实测应力与张拉应力的相对误差值较大，其最大相对误差达到了21.91%；而张拉应力在0.6σcon～σcon范围内时，两者吻合度较高，两者最大相对误差仅为5.72%；当张拉应力达到σcon时，相对误差小于2.51%。张拉应力值与实测应力值在张拉的前中期有着较大的离散，钢绞线的有效应力值普遍低于张拉应力值，其主要原因是预应力钢绞线长度较长，在张拉前期钢绞线在孔道中并未被拉紧，摩阻较大，这就导致了预应力损失值与理论值差异较大，而随着张拉应力的增大，上述现象影响程度减小，实测预应力与张拉应力变化规律基本相同。在张拉持荷阶段，实测有效应力随时间变化存在微小的波动变化，但仍处于一个较为平稳的状态，应力波动范围在0.03%σcon～0.56%σcon。

综合上述分析，光纤光栅自感知钢绞线具有优良的感知性能，可以稳定有效地监测体内索体受力特性及应变情况。

4 结论

通过对2根FBG自感知钢绞线进行重复张拉试验及在月亮湾大桥的工程应用，从自感知钢绞线的线性度、应变灵敏度、应力状态及张拉控制应力与实测应力的对比这几方面分析了自感知钢绞线的感知性能，得出以下结论。

(1)通过张拉试验，对自感知钢绞线的感知性能进行分析，结果得到线性度在2.58%以内，其应变灵敏度为1.09～1.13 pm/με，表明自感知钢绞线监测的线性度好、灵敏度高，为后续实际工程中对体内预应力监测提供支持。

(2)自感知钢绞线在实际工程应用中，FBG传感器成活率达100%，最大监测应变达到7 153 με，最大监测应力为1 394.79 MPa，实际监测应力与张拉控制应力值1 395.00 MPa的相对误差仅为0.02%，证明了FBG自感知钢绞线具有大量程、高精准的优势，因此能在复杂恶劣的施工状态下对体内预应力进行实时监测。

(3)通过在张拉端和1/4跨处布置FBG测点，自感知钢绞线能精准监测体内预应力索体不同位置的应力变化状态，为体内预应力监测提供了科学有效的方法。