光纤光栅传感器对预应力锚索的受力监测

2023-02-25覃荷瑛姜致豪周文龙

科学技术与工程 2023年2期

覃荷瑛，姜致豪*，周文龙

(1.桂林理工大学广西壮族自治区智慧结构材料工程研究中心，桂林 541004； 2.桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室，桂林 541004)

预应力锚索广泛应用于边坡、工业与民用建筑的基础工程中，由于锚索处于地下隐蔽工程，其生存环境恶劣、受力复杂、施工难度大，导致其质量难以控制，所以锚索的受力监测至关重要；但是锚索内传感器生存空间相当狭小，传统传感器难以获得其内部的受力状态与应力分布或存在其他监测问题[1-3]。当下常用的监测手段有：测力环法[4]、磁通量法[5]、应变仪法[6]等。测力环只能安装在预应力锚索的锚头位置，不能监测锚索内部应力分布的情况，且存在受压偏心、读数误差较大的问题。磁通量法主要通过磁导率的变化来反应结构的受力状态；但其存在容易受外界磁场影响、对现场工况要求较高，内部线圈互相干扰、测量精度较低，且磁化时响应速度较慢导致测量数据滞后等问题。电阻应变仪发展较成熟，但在潮湿、温差较大的环境中极不稳定且耐久性较差，难以实现对结构全生命周期的监测。

目前国内主要采用平均锚固损失来确定拉拔阻力及锚固长度，但大量研究表明，锚索在锚固体内受力传递是不均匀的[7]。针对锚索的受力，诸多学者进行了大量的研究：Feng等[8]基于布里渊光时域分析技术提出网络测量理论监测岩土锚杆受力，通过比较预置位移，对实测应变进行了分析和检验，验证了网络测量理论的可行性；但是布里渊光纤仅嵌在锚杆表面，易受施工环境和自然环境影响，难以实现长期监测。随家馨等[9]基于Hoek-Brown准则的点安全系数法，对锚索受力及锚固长度的优化进行了研究，以均质边坡为例，确定了最佳的锚固段长度；但是计算过程是将靠近临空面点安全系数小于1的等值线视为潜在滑动面，以此来确定锚固段长度，得到的试验结果并不完全可靠。孙彦鹏等[10]针对锚索中间部位(内部)应力监测难题，研发了一种新型预应力锚索中间部位应力监测结构，并建立了监测结构应变与锚索应力之间的转换公式，采用转换公式测定锚索应力误差小于2%，为锚索中间部位应力监测提供了有效的技术手段；但该方法仅适用于锚索中间部位应力监测且改变了锚索的结构。

近年来，FBG传感器凭借体积小、信号传输稳定、传输距离长、不受磁场影响等优点[11-14]在锚索受力监测领域受到了广泛关注。针对以上监测手段存在的监测范围有限、易受磁场影响、传感器存活率低、改变了锚索结构等问题，现基于光纤光栅基本原理提出将准分布式光纤布拉格光栅(FBG)内嵌至锚索材料-钢绞线中心丝的技术[15-16]对锚索内部受力状态进行监测。保证FBG传感器在锚索施工张拉过程中的存活率；在不改变锚固体结构的情况下实现对锚索内部受力状态及应力分布的实时监测；为锚索浇筑长度的设计与张拉应力的补充提供计算依据。

1 浇筑长度设计及传感器监测原理

1.1 预应力锚索浇筑长度设计

充分考虑锚索的特性、锚索与锚固结构体系的稳定性、经济性以及施工可行性；根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2013)[17]，假定锚固段剪应力均匀分布，采用平均黏结强度计算浇筑长度。

锚杆(索)杆体与锚固砂浆间的浇筑长度应满足：

(1)

式(1)中：la为锚筋与砂浆间的浇筑长度，m；d为锚筋直径，m；n为杆体(钢筋、钢绞线)根数；fb为钢筋与锚固砂浆间的黏结强度设计值，MPa，取3.4；K为锚杆锚固体抗拔安全系数，取2.0；Nak为设计拉拔力，即195 kN。

1.2 内嵌式FBG传感器监测原理

根据耦合模理论，FBG的特征方程为

λ=2neffΛ

(2)

式(2)中：neff为纤芯的有效折射率；Λ为光栅周期。

外界因素引起光栅折射率neff与周期Λ的变化，进而引起中心波长λ的变化；其他物理量保持不变，光栅中心波长漂移量Δλ与应变之间的关系式为

Δλ=Kεεg

(3)

式(3)中:Δλ由传感器测出；Kε为应变灵敏度系数；εg为光纤光栅感知应变。

(4)

式(4)中：E为钢绞线弹性模量；A为钢绞线公称面积。

2 FBG自感知钢绞线的设计与标定

2.1 FBG自感知钢绞线的设计

为解决光纤布拉格光栅(FBG)在钢绞线中的存活率问题，提出将准分布式光纤布拉格光栅(FBG)内嵌至锚索材料-钢绞线中心丝的技术，具体操作为：①将钢绞线边丝打散，取出中心丝；②利用机械手段在中心丝上刻制轴向凹槽；③用胶黏剂将光纤光栅粘贴于凹槽内；④将封装好的中心丝与边丝重新扭转成形；⑤在钢绞线端部引出光纤光栅并进行封装保护。FBG自感知钢绞线结构示意图如图1所示，实物图如图2所示。

2.2 FBG自感知钢绞线光栅测点的布设方案

FBG自感知钢绞线为1×7标准低松弛预应力钢绞线，抗拉强度为1 860 MPa，共4根，每根长7～13 m，编号分别为A、B、C、D，每根钢绞线上各布设3～5个光栅测点，分别命名为P1、P2、P3、P4、P5，为避免波长信号重合，同一锚索上各光栅点初始波长均不相同，光栅测点的布设如图3所示，FBG自感知钢绞线光栅测点的布设方案如表1所示。

图1 FBG自感知钢绞线结构示意图Fig.1 Structural diagram of FBG self sensing steel strand

图2 FBG自感知钢绞线实物图Fig.2 Physical drawing of FBG self sensing steel strand

填充部分为锚固段，A组全长浇筑，锚固长度为3 m；B、C、D组非全长浇筑，锚固长度分别为1、3、6 m图3 光栅测点布置图Fig.3 Layout of grating measuring points

表1 FBG自感知钢绞线光栅测点的布设方案Table 1 Layout scheme of FBG self sensing steel strand grating measuring points

2.3 传感器的标定

为初步验证传感器的稳定性、应变灵敏度，确定应变灵敏度系数Kε，浇筑前采用分级张拉对传感器进行标定：①10～78 kN，以26 kN/级进行张拉；②78～195 kN，以13 kN/级进行张拉；③每级张拉结束后静置5 min，待波长稳定后，采集数据；④每组传感器重复以上步骤标定3次。

对A、B、C、D组传感器的荷载、波长数据进行线性拟合，得到4组传感器荷载-波长拟合图如图4所示。

如图4所示：4组传感器各光栅点的荷载-波长直线都有良好的线性关系，同一光栅点3次张拉拟合形成的直线接近重合，且未出现波长数据突变的现象，说明传感器在工作区间内具有良好的线性度和重复性；4组传感器各光栅点的荷载-波长拟合直线斜率基本一致，说明传感器与锚索中心丝耦合稳定，能与锚索同步变形，对锚索进行受力监测；对照4组传感器荷载-波长拟合图可以看出，增减光栅监测点并不影响传感器的线性度，进一步验证了该传感器良好的稳定性；4组锚索传感器在第1次张拉标定时中心波长漂移量与后两次相差较大，这是因为传感器具有一定的残余应变，通过2～3次反复标定后基本达到一个稳定状态。

对4组传感器3次张拉标定的应变-波长平均值进行拟合、汇总如表2所示。

由表2标定结果表明，4组自感知钢绞线的应变灵敏度集中在0.001 2，光纤光栅拟合度皆超过0.999，且未出现波长漂移异常、基体感知迟滞的现象；说明该传感器灵敏度高、稳定性好，利用该传感器对拉拔试验进行监测是可行的。

表2 4组内嵌式FBG传感器标定数据Table 2 Calibration data of 4 groups of embedded FBG sensors

3 预应力锚索应力监测技术方案

3.1 钢管-锚索的浇筑方案

为验证自感知钢绞线的监测性能，根据式(1)计算出拉力达到195 kN时，所需的安全浇筑长度为2.5 m。结合该理论值，设计了A、B、C、D组拉拔试验。制作4组钢管锚孔模型，模型由两根对称钢管与1根灌浆钢管组成，等间距设置钢板进行焊接、加固，灌浆钢管等间距设置小孔排气。每组试验布设一根上述自感知钢绞线，钢绞线等间距设置对中支架；水泥强度为42.5 MPa，按水灰比0.5配置水泥砂浆灌注；其中A组通体浇筑形成全长黏结型，B、C、D组利用套置PVC管法形成非全长黏结型。灌注完成后养护28 d，待强度达到要求后，采用室内试验的形式，进行加载监测。钢管锚索实物图如图5所示。

图5 钢管锚索实物图Fig.5 Physical drawing of steel pipe anchor cable

本试验所需其他设备：FBG解调仪；智能张拉油泵；穿心式千斤顶；压力传感器；张拉台座。

3.2 锚索轴力监测试验

对锚索进行张拉，加载方案如下：①4组锚索均采用分级张拉；A、C、D组锚索分12级加载，前3级为26 kN/级，后9级为13 kN/级；B组均为13 kN/级；②每级荷载加载完成后持荷静置5 min，记录对应的光栅解调仪读数、观察锚索模型的受力破坏情况，再进行下一级加载；③加载至195 kN时，可能出现破坏，为准确监测到锚索的受力变化规律，在加载值到达100 kN后降低油泵的加载速率。试验现场张拉如图6所示。

A、C、D组加载至设计值195 kN，终止加载，锚索未出现破坏现象；B组加载至78 kN时，锚索与注浆体之间产生滑移，FBG中心波长回到初始值，锚固段失效，终止加载。加载结束后，汇总光栅点波长监测数据，根据表3中的应变灵敏度Kε以及式(4)计算出锚索监测点受力值。

图6 试验现场张拉图Fig.6 Tension diagram of test site

4 试验数据分析

4.1 不同荷载下锚索轴力分布规律

大量试验和理论分析都表明：锚索轴力分布并非均匀，而是由锚固顶端至锚固底部呈递减趋势分布；因数据较多，本文研究中仅以A组试验为例：对A组不同加载值下锚索监测点的数据进行拟合如图7所示。

图7 不同加载值下锚索监测点受力传递变化图Fig.7 Variation of stress transmission at anchor cable monitoring points under different loading values

由图7可知：钢绞线在注浆体内的轴力传递是不均匀的，靠近锚固初始端锚索所承受的轴力最大，随着浇筑深度的增加，轴力越来越小，直至消失，符合“半单峰”分布规律；小于91 kN时，锚固长度不到1.5 m；大于91 kN时，随张拉荷载的增加，锚索的有效锚固长度逐渐增加。

4.2 锚固段受力传递分析

将A、C、D组锚索锚固段监测点受力值汇总如表3所示；B组锚索锚固段监测点受力值汇总如表4所示；以加载值为横坐标，监测点受力值为纵坐标，对4组锚索锚固段监测点试验数据进行拟合如图8所示。

由表3、表4和图8可知：加载值达到91 kN时，A组2号光栅点监测到力值变化，说明此时需要的锚固长度不小于1.5 m；力值达到195 kN时，A组3号光栅点始终没有监测到受力变化，说明2.5 m锚固长度是足够的；以上监测结果满足理论公式(1)对浇筑长度的要求；对比《建筑边坡技术规范》，该传感器可以得到更加精确的安全浇筑长度，更加符合施工要求的经济性、安全性。B、C、D组在荷载达到一定值后，相邻光栅点之间拟合曲线几乎保持平行，说明两光栅点之间轴力的损失相同。由B组可知，锚固段失效时，光纤光栅中心波长将不再变化，利用该传感器可以有效监测到锚索的失效情况。对比A、C两组，通过套置PVC管形成不同长度的自由段对锚固段的受力传递规律基本没有影响。对比B、C、D组可得，不同浇筑长度的锚索的受力都是由初始端向内部逐渐传递。