基于BOTDA的钢结构全尺度应变监测方法及其试验研究*

王 麒,毛江鸿*,陈佳芸,许斌锋,陆 飞,俞凯奇

(1.浙江大学宁波理工学院,浙江 宁波 315100;2.浙江大学结构工程研究所,杭州 310058;3.浙江省工程勘察院,浙江 宁波 315040)



基于BOTDA的钢结构全尺度应变监测方法及其试验研究*

王 麒1,毛江鸿1*,陈佳芸2,许斌锋3,陆 飞1,俞凯奇1

(1.浙江大学宁波理工学院,浙江 宁波 315100;2.浙江大学结构工程研究所,杭州 310058;3.浙江省工程勘察院,浙江 宁波 315040)

大型钢结构因为超载或者腐蚀等问题引起的结构失效越来越多,对大型钢结构进行全尺度监测是评估结构的剩余使用寿命和做出维修决策的关键。分布式光纤传感技术具备分布式、抗电磁干扰能力强等优点,适用于钢结构的全尺度监测。设计了传感光纤的全面和局部布设方法,对上述方法进行了标定、重复性等试验,并将其应用于钢桁架的全尺度应变监测中。结果表明,分布式光纤传感技术可有效获取钢结构全尺度应变,同时,提出的基于电磁铁方式具备快速、可拆卸等优点。本文研究成果可用以集成大型钢结构健康监测系统,实现钢结构的全寿命健康状态评估。

钢结构;应变;分布式光纤传感技术;健康监测

钢结构由于钢材具有强度高,质量轻,塑性和韧性好,安装方便、施工期短等优点,同时还是理想的弹性材料,故钢结构应用范围越来越广。房屋建筑方面,钢结构主要应用于大跨公共建筑中,如国家鸟巢体育场、国家水立方游泳中心等;桥梁工程方面,钢结构主要应用大跨桥梁中,如郑州铁路桥、武汉长江大桥等。钢结构桥梁虽然具有良好工作性能,但钢结构各构件的连接及维护较为复杂,影响结构安全的因素也较多。钢结构病害主要体现在原材料不合格、连接可靠度不足、钢材腐蚀等方面[1],以及力学状态的改变,如屋面雪荷载过大引起钢结构屋面承载力超过设计值[2],地基不均匀沉降引起上部结构损坏[3],火灾后钢材强度变化[4]等。因此,钢结构的应变监测对于预防钢结构的病害必不可少。

结构应变的传统监测传统方法主要有应变片法和振弦式应变传感器。然而,由于重大工程因其结构体积大、监测元件使用量多并且受电磁干扰影响大,在系统集成和数据稳定性方面存在不足[5]。光纤传感技术相比传统技术具备可植入性强,抗电磁干扰,耐久性好等优点,使用较为广泛的光纤类传感器为布拉格光纤光栅传感器(FBG),已在桥梁,隧道,边坡进行了结构健康监测[6]与煤矿火灾监测应用[7]。分布式光纤传感器(BOTDA)相比FBG传感器具备长距离、分布式等优势,特别适用于大型结构监测,如瑞士Smartech公司在瑞士Geneva湖床、Luzzone大坝、Pizzante污水站、德国柏林盐水管道等进行了分布式应变或温度监测,取得较好效果[8-10]。将分布式光纤传感技术应用于钢结构应变监测的报道较少,侯华东利用BOTDA进行了大跨度城市钢箱梁高架桥进行过应变监测[11],取得了较好的监测结果,同时也指出分布式传感光纤的安装问题需要重点考虑。

本文提出了传感光纤的分布式和点式布设方式,提高了光纤传感布置和拆卸效率,使得分布式光纤传感技术在钢结构应变监测应用中更为便捷。同时,本文对点式光纤传感器进行了定位试验、重复性试验和标定试验,并在钢桁架静载试验中进行了有效性验证。

1 基于BOTDA的钢结构全尺度应变监测方法

1.1 BOTDA监测原理

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术利用光纤应力和温度变化引起布里渊散射光中心频移改变这一特性,实现长距离光纤的应变和温度监测,光纤的布里渊频移量与光纤应变温度之间存在线性关系,其关系如式(1)所示[12]:

(1)

式中:vB(0)为初始应变、初始温度时布里渊频率频移量,vB(ε,T)为在应变ε、温度T时布里渊频率漂移量,dvB/dT为温度比例系数,dvB/dε为应变比例系数,T-T0为光纤温度差;ε为光纤应变变化量,由式(1)可求得光纤轴向各点的应变和温度值。

分布式光纤应变传感技术可对结构应变进行分布式监测,但由于入射光存在脉冲宽度限制,使得该技术需考虑空间分辨率影响,采样点的应变数据实际上是一段光纤内应变的综合反映[13]:

(2)

式中:dz为空间分辨率大小;W为入射脉冲光宽度,Vg为光波在光纤中沿轴向传播的速度。

1.2 基于BOTDA的全局应变监测方法

分布式光纤传感技术进行整体应变监测时,除了施工过程中可能存在的光损外,还需要关注结构基体至纤芯的应变传递率。分布式光纤传感器结构模型主要由包层、涂覆层、护套层等中间层组成[14]。由剪滞理论[15]可知,结构应变通过各中间层剪切作用传递至传感光纤纤芯,部分应变由于中间层弹性模量差异被损耗[16]。文献[17]对分布式光纤的应变传递率进行了理论和试验分析,认为对于已建结构,采用环氧树脂等柔性粘结剂具有良好的粘结性能,同时选择外径较大的传感光纤可获取较好的测试精度。因此,本文采用环氧树脂进行光纤粘结,光纤采用900μm紧套光纤,将其粘结在钢结构表面进行整体应变监测。

1.3 基于BOTDA的局部应变监测方法

钢结构存在一些局部区域无法进行分布式监测,如肋板加劲处等区域,且上述区域往往存在应力集中现象,存在较大安全隐患。考虑到光纤传感不受电磁干扰的影响,本文提出了一种基于电磁铁原理的局部光纤快速安装方法。该方法具备光纤预拉力可控、可重复利用、拆卸便利等优点,特别适用于钢结构局部应变的短期监测,同时实现了局部区域应变的监测,局部区域监测传感光纤的布设方式如图1所示。

图1 点式传感器结构图

具体安装过程如下:首先,把传感光纤粘结与两块磁铁上,粘结过程中,3段光纤长度需保持一致,且在两个光纤传感段之间设置长为2.0m的冗余段,以避免空间分辨率影响;其次,施加一定预应力的情况下对电磁铁通电,将点式传感器固定于被测物体上后,采用环氧树脂进行电磁铁的固定。在安装过程中,给一端的电磁铁通上电,通过移动另一端的电磁铁使得光纤拉长,产生ΔL的伸长量,ΔL/L即为预拉力产生的应变值。因此,安装过程中只需控制两端电磁铁的距离即可获取设定的预拉应力值。最后,环氧树脂硬化后解除通电状态,以消除电磁铁发热引起的温度影响。

2 基于BOTDA的钢结构全尺应变监测的性能研究

2.1 试验设计

将具备分布式传感特点的BOTDA技术应用于钢结构全尺度应变监测时,需要考察如下性能指标:

①空间点识别:BOTDA可进行长距离测试,采样点位置为距离仪器起点的长度,将光纤粘结于结构表面时,需要知道光纤应变变化处对应的结构位置。

②测试精度:BOTDA受限于空间分辨率,需要进行标定试验,建立测试数据和实际应变之间的对应关系。

③测试稳定性:结构应变是通过剪切作用传递至光纤纤芯,如果护套、包层及涂覆层之间出现滑移,则纤芯应变将有所降低,影响数据稳定性。

基于上述考虑,本文分别开展了定位试验、标定试验和重复性试验。将900μm紧套光纤固定于等强度梁上,传感段光纤长度为15cm。同时,为了检验光纤护套层对测试应变的影响,对比分析了900μm紧套光纤和250μm裸光纤的测试结果。在等强度梁上黏贴电阻式应变片,读取等强度梁的真实应变值。光纤传感器连接于DITESTSTA-R型BOTDA传感器,设置0.5m空间分辨率,0.1m采样点间隔。

图2 性能研究试验布置图

通过在等强度梁末端放置砝码实现加载,共分7级加载,前6级每级为5N,第6级为10N,首先研究光纤传感器的压应变测试性能,获取数据后,翻转并固定等强度梁,以同样的光纤布置方式研究其拉应变测试性能。

2.2 空间位置识别

在实际钢结构工程监测中,由于钢结构的应变变化较小,分布式光纤传感器很难找到其监测位置,因此也很难分析钢结构的受力变化,本文通过对分布式传感光纤施加一定的预拉力来确定其监测位置,结果如图3所示。

由图3可知,如果对传感光纤施加一定预拉力,可从布里渊频率谱中找到3个明显的峰值,分别表示3条传感光纤受到一定预拉力时所表现出来的布里渊频率的变化,从图3可明显识别传感光纤段的采样点。

2.3 标定试验

本文为了了解点式光纤传感器的测试精确,在等强度梁上布设了900μm紧套光纤、250μm裸光纤及电阻式应变片,并将计算得出等强度梁的应变理论值与应变片和点式光纤传感器进行对比分析,结果如表1所示。其中等强度梁的应变理论值计算公式为:

(3)

等强度梁的参数为:长度=300mm,宽度b=50mm,厚度h=5mm,弹性模量E=210.0GPa,荷载P单位以kg计。

表1 受拉测试光纤及应变片对比表

为了得出点式光纤传感器的标定系数,本文将表中应变片数据和光纤数据进行拟合,所得拟合图示及数据如图4和表3所示。

表2 受压测试光纤及应变片对比表

图4 标定试验结果

表3 裸光纤与紧套光纤拉、压应变拟合表

表3中,Y为光纤应变值,X为应变片应变值,R为相关系数。

由图4(a)可知,紧套光纤在H点应变下降,推测其主要原因为光纤护套层和纤芯发生了相对滑移,降低了应变传递值,故在拟合方程中需将其去除,以保证拟合方程的精确性。由拉压应变的线性拟合方程可看出裸光纤数据较紧套光纤数据更为精确。

2.4 测试的稳定性

本文为了研究光纤传感器的稳定性,进行了短期的持续荷载试验,测试等强度梁在同一荷载下应变值,共进行了5次测试,每次测量时间间隔为1周,测试结果如图5所示。

图5 重复性测试结果

本文进行了约1个月的稳定性测试,具体结果见图5。由图5(a)可知,随着时间推移,光纤传感器所测应变变化较小。图5(b)中的3条曲线表示3个峰值点随时间推移而产生的应变变化,可以看出光纤传感器应变变化在±4με左右变化,具有较好的稳定性。

3 基于BOTDA钢结构全尺度应变光纤监测的应用

本文在钢桁架上开展了全尺度应变的应用研究,将分布式传感光纤采用环氧树脂黏贴在钢材表面进行全局应变监测,采用电磁铁方式布设点式光纤传感器进行局部应变监测。

图6 桁架试验布置

试验布置如图6所示,分8次加载,每级加载为6kN。

图7为第1次、第4次和第8次加载时全局传感光纤的应变测试数据,可以看到,监测所得的应变曲线有4个明显的峰值,其分别代表了受压区(Ⅰ)、节点处(Ⅱ)、受拉区(Ⅲ)、熔接区(Ⅳ)。由图7可知,尽管桁架上的应变分布并不均匀,但分布式光纤能恰好地反映出桁架的应变分布情况。

图7 全局传感光纤测试结果

本文在受压区同时布设了分布式传感光纤、点式传感光纤和电阻式应变片,其对比结果如图8所示。此时光纤为紧套光纤,且受压应变,故除以系数0.24。

图8 分布式光纤传感器与应变片的应变情况

由图8可看出点式光纤传感器测得的数据与其余两种基本吻合。

4 结论

钢结构的应用领域越来越广,由钢结构带来的一系列病害也逐渐暴露出来,对钢结构进行应变监测越来越重要。本文设计了一种基于BOTDA钢结构全尺度应变监测方法,并对其进行了定位试验、重复性试验和标定试验,主要结论如下:

(1)本文提出了一种分布式光纤传感器对钢结构进行应变监测的方法,该方法可实现全局式与点式应变监测的测试。

(2)本文提出的点式光纤传感器在高应力状态下,保护套和光纤之间不可避免的存在相对滑移,因此,为避免保护套和光纤之间滑动带来的数据异常,除了预拉应力控制在临界值以下(该临界值可通过标定试验获取),建议采用裸光纤进行测试,此时,需做好传感光纤的保护措施。

(3)进行了定位试验,重复性试验和标定试验,对分布式光纤传感器的采样点查找,稳定性及精确度进行了研究,得出分布式光纤传感技术稳定性好,精确度高,适用于大型钢结构的应变监测。

(4)本文提出的电磁铁方法安装方便,拆卸快捷,避免在安装拆卸过程中对光纤造成损伤,提高了分布式光纤传感器的重复使用率,降低了监测成本。

[1]罗宝莲. 钢结构桥梁常见病害及防护[J]. 工程与建设,2011,25(3):426-427.

[2]蓝声宁,钟新谷. 湘潭轻型钢结构厂房雪灾受损分析与思考[J]. 土木工程学报,2009,42(3):71-75.

[3]董军,邓洪洲,马星,等. 地基不均匀沉降引起上部钢结构损坏的非线性全过程分析[J]. 土木工程学报,2000,33(2):101-106.

[4]强旭红,罗永峰,罗准,等. 钢结构构件火灾后材料性能试验研究[J]. 土木工程学报,2009,42(7):28-35.

[5]何建平. 全尺度光纤布里渊分布式监测技术及其在土木工程的应用[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.

[6]李东升.采用码分多址技术实现的光纤光栅自相关数字解调方法及传感网络[D]. 济南:山东大学,2008.

[7]付华,蔡玲.光纤布拉格光栅传感技术在煤矿火灾监测中的应用[J]. 传感技术学报,2011,24(5):778-782.

[8]Naruse H,Komatsu K,Fujihashi K,et al. Telecommunications Tunnel Monitoring System Based on Distributed Optical Fiber Strain Measurement[J]. SPIE,2005,5855:168-171.

[9]Yari T,Nagai K,Shimizu T,et al. Overview of Damage Detection and Damage Suppression Demonstrator and Strain Distribution Measurement Using Distributed BOTDR Sensors[J]. SPIE,2003,5054:175-183.

[10]Thevenaz L,Nikles M,Fellay A,et al. Applications of Distributed Brillouin Fiber Sensing[J]. SPIE,1998,3407:374-381.

[11]侯华东,苏小梅,丁勇,等. 结构健康监测技术在超大跨城市钢箱梁高架桥变形监测中的应用[J]. 钢结构,2013,28(12):55-59.

[12]Kwon I B,Kim C Y,Choi M Y.Distributed Strain and Temperature Measurement of a Beam Using Fiber Optical BOTDA Sensor[J]. Proc SPIE,2003,5057:486-496.

[13]Bao Xiaoyi,Demerchant M,Browna,et al. Tensile and Compressive Strain Measurement in the Lab and Field with the Distributed Brillouin Scattering Sensor[J]. J Lightwave Technol,2001,19(11):698-704.

[14]王惠文,江先进.光纤传感技术与应用[M]. 北京:国防工业出版社,2001.

[15]Ansari F,Yuan L.Mechanics of Bond and Interface Shear Transfer in Optical Fiber Sensors[J]. Journal of Engineering Mechanics,1998,124(4):385-394.

[16]周广东,李宏男,任亮,等. 光纤光栅传感器应变传递影响参数研究[J]. 工程力学,2007,24(6):169-173.

[17]毛江鸿,何勇,金伟良,等. 分布式光纤传感器应变传递性能分析及试验研究[J]. 传感技术学报,2011,24(10):1406-1411.

Experimental Research on Full Scale Strain Monitoring for Steel Structure Based on BOTDA*

WANGQi1,MAOJianghong1*,CHENJiayun2,XUBinfeng3,LUFei1,YUKaiqi1

(1.Ningbo Institute of Technology,Zhejiang University,Ningbo Zhejiang 315100,China;2.Institute of Structural Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;3.Zhejiang Engineering Prospecting Institute,Ningbo Zhejiang 315012,China)

Structure failures induced by overload or corrosion problems become the prevalent problem in large steel structures. Full scale monitoring in large steel structures is the key to evaluate the remaining service life of structures and make maintenance decisions. Distributed optical fiber sensing technology has advantages such as the applicability for distributed installation and the resistance to electromagnetic interference,which is suitable for monitoring the full scale of steel structures. This paper designed the entire and local layout method of optical fiber sensors. Calibration test and replicate test were carried out for this layout method,Meanwhile the full-scale strain monitoring was applied in steel truss structures. The results showed that distributed optical fiber sensing technology could acquire the full-scale strain of steel structures effectively. What’s more,this paper presumed a layout method based on electromagnet,which could be installed and disassembled conveniently. The research results could be applied in the health monitoring system for integration of large steel structure,in order to evaluate the whole life health status of steel structures.

steel structure;strain;distributed optical fiber sensing technology;structural health monitoring

王 麒(1994-),男,浙江大学宁波理工学院土木建筑工程学院学生,开展分布式光纤传感技术的创新训练,主要进行BOTDA技术的应用研究;

毛江鸿(1985-),男,博士,讲师,主要研究方向为分布式光纤传感技术在结构健康监测中的应用,jhmao@nit.zju.edu.cn;

许斌锋(1970-),男,高级工程师,主要从事土木程结构检测与评估工作。

项目来源:国家大学生创新创业训练计划项目(201413022019);国家自然科学基金(51408544);浙江省自然科学基金(LQ14E080007);宁波市科技创新团队(2011B81005)

2014-11-02 修改日期:2014-11-29

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.03.025

TU317.3

A

1004-1699(2015)03-0443-06