光纖光柵傳感系統(tǒng)在管樁試驗(yàn)中的應(yīng)用

0混凝土管樁傳感系統(tǒng)研究現(xiàn)狀bragg明光傳感器系統(tǒng)（fbg）具有精度高、穩(wěn)定好、干擾強(qiáng)、安裝方便、數(shù)據(jù)采集少等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于橋梁和隧道等大型結(jié)構(gòu)的施工和健康監(jiān)測(cè)，并取得了良好的監(jiān)測(cè)效果。但該傳感系統(tǒng)運(yùn)用于混凝土管樁側(cè)阻力和端阻力測(cè)試的研究卻少見于報(bào)道,文獻(xiàn)對(duì)該傳感系統(tǒng)在灌注樁中的埋設(shè)工藝與可行性進(jìn)行了研究,但并未涉與此系統(tǒng)運(yùn)用于混凝土管樁測(cè)試的可行性分析。由于混凝土管樁施打時(shí)沖擊應(yīng)力大,對(duì)傳感器的抗擊打能力要求很高,而目前混凝土管樁測(cè)試用傳感器的存活率普遍偏低,并且,精度低、漂移大、穩(wěn)定性差、施工工藝復(fù)雜。因此,亟須尋找一種符合要求的傳感裝置來(lái)進(jìn)行測(cè)量。目前,國(guó)內(nèi)工程界已有將此種傳感系統(tǒng)應(yīng)用于混凝土管樁測(cè)試的工程實(shí)例,但成敗參半。因此,有必要對(duì)FBG傳感系統(tǒng)的抗擊打性能進(jìn)行研究,以便對(duì)此系統(tǒng)應(yīng)用于混凝土管樁測(cè)試的可行性做出評(píng)價(jià),并為傳感系統(tǒng)的埋設(shè)方案提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。1項(xiàng)目的fg傳感器系統(tǒng)1.1液壓錘打樁工程該工程采用PHC樁(先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁)作為工程樁,樁徑包括1.2,1.0m2種,樁長(zhǎng)普遍為55～65m,樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高為4.7m,水深為4m,入土深度為45～55m。該工程采用HHK20S型液壓錘進(jìn)行打樁,錘芯重量為20t,最大行程為1.5m,最大打擊能量為295kJ。打樁時(shí),壓應(yīng)力控制在40MPa之內(nèi),拉應(yīng)力控制在5MPa之內(nèi)(由PDA進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè))。1.2樁體應(yīng)變測(cè)試該工程采用的FBG傳感器主要包括鎧裝光柵應(yīng)變傳感器(用于測(cè)試樁體內(nèi)的應(yīng)變,進(jìn)而計(jì)算出軸力、側(cè)阻力及端阻力)和鎧裝光柵溫度傳感器(用于對(duì)所測(cè)應(yīng)變進(jìn)行修正)2種。數(shù)據(jù)連接線采用鎧裝單模光纖(FC接頭),并通過(guò)光纖法蘭盤進(jìn)行連接。1.3位、切傳感器與接樁位置保護(hù)該工程FBG傳感系統(tǒng)的埋設(shè)工藝主要包括劃線、切直槽、定位、切傳感器與法蘭盤槽、除雜、打基底膠、鋪結(jié)構(gòu)膠、測(cè)試、首尾纖處理及接樁位置數(shù)據(jù)線保護(hù)等。其中,基底膠采用液體環(huán)氧樹脂,結(jié)構(gòu)膠采用液體環(huán)氧樹脂與固體環(huán)氧樹脂的混合物。1.4專利“獨(dú)立”具體說(shuō)明打樁完畢后,對(duì)各樁的FBG傳感器進(jìn)行了測(cè)試,發(fā)現(xiàn)傳感器的存活率很低,具體見表1。與靜載荷試驗(yàn)進(jìn)行同步測(cè)試后發(fā)現(xiàn),存活傳感器的精度較高,能準(zhǔn)確反映樁體內(nèi)應(yīng)變隨樁頂載荷的變化,由此可見,只要做好FBG傳感系統(tǒng)的施工保護(hù),便可將此系統(tǒng)應(yīng)用于混凝土管樁側(cè)阻力與端阻力的測(cè)試。2菲爾菲傳感器系統(tǒng)的抗疲勞試驗(yàn)FBG傳感系統(tǒng)由FBG傳感器、數(shù)據(jù)連接線及法蘭盤組成,為了確定打樁過(guò)程中最易損壞的部件,需通過(guò)相應(yīng)的試驗(yàn)進(jìn)行各部件的工作性能評(píng)價(jià)。2.1送樁器因素發(fā)生嚴(yán)重分離在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的送樁器上按原工藝(與某工程的施工工藝相同)安裝了2只傳感器,送樁器的尺寸為245mm×12mm×1000mm。由于該送樁器較正常送樁器小,故打了20多錘(一根樁沒(méi)打完),送樁器即損壞,送樁器一側(cè)已經(jīng)屈曲。查看光柵解調(diào)儀記錄的傳感器數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)一只傳感器數(shù)據(jù)良好,另一只傳感器在產(chǎn)生應(yīng)變7760×10-6時(shí)失效(數(shù)據(jù)出現(xiàn)分支,原光柵由于受不均勻應(yīng)力影響產(chǎn)生多個(gè)小光柵)。通過(guò)送樁器上測(cè)得的數(shù)據(jù)可以看出:傳感器有很強(qiáng)的耐受性,當(dāng)發(fā)生應(yīng)變7760×10-6時(shí)才出現(xiàn)故障,應(yīng)變7760×10-6相當(dāng)于應(yīng)力1630MPa,而在實(shí)際打樁過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)如此大的打樁應(yīng)力。2.2傳感器檢測(cè)結(jié)果在1m長(zhǎng)的5#槽鋼內(nèi)按原工藝埋設(shè)FBG傳感系統(tǒng),內(nèi)含1只傳感器。在傳感系統(tǒng)的上側(cè)涂上結(jié)構(gòu)膠,與槽鋼的側(cè)壁平齊。將埋設(shè)有傳感器的槽鋼置于2個(gè)20cm×20cm×20cm的大理石塊之上,形成簡(jiǎn)支梁。在槽鋼上側(cè)(數(shù)據(jù)線所在位置)用鐵錘進(jìn)行反復(fù)擊打,試驗(yàn)示意圖如圖1所示。槽鋼經(jīng)受47次擊打時(shí),結(jié)構(gòu)膠出現(xiàn)第一道裂縫,但光柵解調(diào)儀仍能測(cè)得傳感器數(shù)據(jù)。當(dāng)擊打200次時(shí),結(jié)構(gòu)膠嚴(yán)重破壞,解調(diào)儀無(wú)法檢測(cè)到傳感器數(shù)據(jù),傳感系統(tǒng)破壞。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)線被拉斷,且槽鋼也產(chǎn)生了嚴(yán)重的變形。17～47錘傳感器所得應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示。由此圖可得,最大的拉應(yīng)變?yōu)?10×10-6(對(duì)結(jié)構(gòu)膠來(lái)說(shuō),約20.8MPa的拉應(yīng)力),最大壓應(yīng)變?yōu)?36×10-6(對(duì)結(jié)構(gòu)膠來(lái)說(shuō),約5.2MPa的壓應(yīng)力)。20.8MPa的拉應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)了結(jié)構(gòu)膠的抗拉強(qiáng)度,故結(jié)構(gòu)膠出現(xiàn)裂縫。由圖2還可以看出:槽鋼有了一定的塑性變形,從而使FBG傳感器也產(chǎn)生了協(xié)調(diào)變形,導(dǎo)致所得微應(yīng)變總體趨于增大,停止錘擊后,傳感器已不能恢復(fù)到零點(diǎn)。170～200錘時(shí),傳感器所得應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。由此圖可得,最大的拉應(yīng)變?yōu)?617×10-6(對(duì)結(jié)構(gòu)膠來(lái)說(shuō),約99.5MPa的拉應(yīng)力),最大壓應(yīng)變?yōu)?61×10-6(對(duì)結(jié)構(gòu)膠來(lái)說(shuō),約10MPa的壓應(yīng)力)。99.5MPa的拉應(yīng)力已經(jīng)大大超過(guò)結(jié)構(gòu)膠的抗拉強(qiáng)度,故結(jié)構(gòu)膠嚴(yán)重開裂,數(shù)據(jù)線也被拉斷。由此可以判斷,結(jié)構(gòu)膠開裂導(dǎo)致數(shù)據(jù)線被拉斷,傳感器信號(hào)無(wú)法正常傳輸,傳感系統(tǒng)破壞。2.3接頭周邊的破壞在2m長(zhǎng)的5#槽鋼內(nèi)埋設(shè)傳感系統(tǒng),內(nèi)含1只傳感器和1個(gè)法蘭盤接頭,按原工藝安裝。在傳感系統(tǒng)的上側(cè)涂上結(jié)構(gòu)膠,與槽鋼的側(cè)壁平齊。此槽鋼也置于兩大理石塊上,形成簡(jiǎn)支梁。在接頭法蘭盤上側(cè)進(jìn)行擊打,共擊打30次,傳感器首纖信號(hào)存在,尾纖信號(hào)消失。經(jīng)觀測(cè),接頭法蘭盤與附近處結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)生了裂縫。由于有裂縫,導(dǎo)致接頭附近出現(xiàn)問(wèn)題,從而使此處傳感器尾纖信號(hào)消失。但接頭附近的具體破壞位置和破壞方式還不能確定。擊打過(guò)程中,傳感器所測(cè)得的應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示。由圖4可得,傳感器所測(cè)得的最大拉應(yīng)變?yōu)?57×10-6(對(duì)結(jié)構(gòu)膠來(lái)說(shuō),約9.8MPa的拉應(yīng)力),最大壓應(yīng)變?yōu)?3×10-6(對(duì)結(jié)構(gòu)膠來(lái)說(shuō),約0.9MPa的壓應(yīng)力)。為了確定接頭附近的具體破壞位置與方式,又采用槽鋼以簡(jiǎn)支梁的形式進(jìn)行了一次試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)僅在槽鋼內(nèi)埋設(shè)數(shù)據(jù)線與接頭,在接頭處上側(cè)進(jìn)行錘擊,發(fā)現(xiàn)當(dāng)錘擊35次后,傳感器信號(hào)中斷。經(jīng)檢查,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)線接頭與法蘭盤對(duì)接位置出現(xiàn)問(wèn)題,數(shù)據(jù)線接頭用于螺旋擰緊的螺扣損壞。3蘭盤接頭、地下傳感器由前述實(shí)驗(yàn)可得,FBG傳感系統(tǒng)的法蘭盤接頭、數(shù)據(jù)線最易損壞,而傳感器本身不易損壞。因此,需采取相應(yīng)的減振措施對(duì)法蘭盤接頭和數(shù)據(jù)線進(jìn)行保護(hù)。3.1法蘭盤帶頭的衰減措施在法蘭盤外側(cè)裹上防振墊層(粘扣),防振墊層的材料為兩塊可以彼此粘接的化纖布。防振墊層可以有效減小打樁過(guò)程中拉、壓應(yīng)力波對(duì)接頭的影響。3.2外側(cè)透明膠帶的鋪設(shè)在連接線外側(cè)裹上麻繩,在麻繩外側(cè)套上塑料套管,在套管外側(cè)纏上透明膠帶,并將保護(hù)好的數(shù)據(jù)連接線置于切好的槽中,涂上結(jié)構(gòu)膠。如此保護(hù)后,使得數(shù)據(jù)線不與樁體直接連接,可在塑料管內(nèi)自由移動(dòng),減少了打樁振動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)線的影響。4試驗(yàn)驗(yàn)證了fg傳感器系統(tǒng)的緩解措施4.1微織構(gòu)工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在混凝土預(yù)制方樁(尺寸為400mm×400mm×6000mm)上按減振工藝埋設(shè)FBG傳感系統(tǒng),并采用5t柴油錘(跳高2m)進(jìn)行擊打試驗(yàn)。擊打過(guò)程中產(chǎn)生的最大壓應(yīng)變?yōu)?135×10-6(約32MPa),產(chǎn)生的最大拉應(yīng)變?yōu)?71×10-6(約4MPa),這與某工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)力相近。當(dāng)擊打近200錘時(shí),該方樁樁尖破裂,但按減振工藝埋設(shè)的傳感系統(tǒng)始終沒(méi)壞,這從一個(gè)側(cè)面證明了減振工藝的減振效果。4.2bg傳感觀測(cè)系統(tǒng)與2.2和2.3中所述試驗(yàn)方法類似,采用2m的5#槽鋼形成簡(jiǎn)支梁,并埋設(shè)一套加入減振措施的FBG傳感系統(tǒng)。在傳感系統(tǒng)的上側(cè)進(jìn)行擊打,共擊打200次。經(jīng)觀測(cè),在擊打處附近的結(jié)構(gòu)膠已經(jīng)產(chǎn)生了明顯裂縫,但傳感器的信號(hào)仍然存在。在200次錘擊過(guò)程中,所產(chǎn)生的最大拉應(yīng)變?yōu)?002×10-6(約210.4MPa拉應(yīng)力),最大壓應(yīng)變?yōu)?93×10-6(約145.5MPa壓應(yīng)力)。4.3加速度傳感器響應(yīng)的檢測(cè)為了檢驗(yàn)粘扣的減振性能,利用加速度傳感器和動(dòng)測(cè)儀進(jìn)行了減振性能的測(cè)試。測(cè)試時(shí)在鋼管樁(尺寸為325mm×18mm×11000mm)的指定位置貼上粘扣,將2只加速度傳感器置于粘扣的上側(cè)(減振),將1只加速度傳感器直接置于鋼管樁的表面(未減振),并在鋼管樁的一側(cè)進(jìn)行錘擊,利用動(dòng)測(cè)儀記錄加速度傳感器的響應(yīng)情況。未減振和減振后加速度傳感器測(cè)得的時(shí)域圖如圖5所示。由圖5可得,減振措施處理后,傳感器所受振動(dòng)的振幅明顯減小,減振前的振幅為0.57m/s2,減振后的振幅為0.2m/s2,減振后振幅比減振前小了50%多。5傳感器的安裝1)打樁過(guò)程中,FBG傳感系