准分布FBG钢绞线对混凝土梁预应力损失的监测.pdf
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1、第 20 卷 第 7 期2023 年 7 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 7July 2023准分布FBG钢绞线对混凝土梁预应力损失的监测覃荷瑛1,2,雷静1,2,汤鹏飞1,2,罗伯光1,2(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,广西 桂林 541004;2.桂林理工大学 岩土力学与工程重点实验室,广西 桂林 541004)摘要:预应力损失是预应力构件设计及张拉施工的关键参数,同时也决定构件服役时的受力状态。然而,目前沿构件全长的预应力损失分布基本是依据理论公式和工程经
2、验获得,难以通过实测求证。针对这一难题,提出将多点准分布FBG耦合于混凝土梁中预应力钢绞线中心丝的技术,并进行实验,以探求预应力损失影响规律及其沿构件全长的分布。实验结果表明:相比准确率低、失效概率大的应变片,多点准分布FBG存活率为100%,监测数据有良好的线性度,可实现预应力损失及其分布的监测。FBG对短期预应力损失的监测值与规范推荐的理论值变化规律一致:离张拉端距离越大,l1越大而l2越小,但监测数据整体比规范值少2%10%。孔道形状对短期预应力损失影响较大,对长期预应力损失影响较小:直线孔道梁中短期预应力损失占总损失的40%50%,短期损失率约为6%,曲线型孔道梁中其值分别为70%73
3、%及13%;直线孔道梁中长期预应力损失占总损失的50%60%,长期损失率约为8%,而曲线型孔道梁中其值分别为27%30%及6%。对总预应力损失而言,直线型孔道各测点其值小于曲线型孔道,前者总损失率约为14%,短期和长期预应力损失各半,而后者总损失率约为19%,并以短期预应力损失为主。通过多点准分布FBG对预应力损失监测试验,为预应力构件的设计、张拉施工及受力分析提供试验参考和技术支持。关键词:FBG传感器;预应力钢绞线;预应力损失;监测中图分类号:TU375 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)07-2740-11Prestress l
4、oss monitoring in concrete beams using quasi-distributed FBG sensors steel strandsQIN Heying1,2,LEI Jing1,2,TANG Pengfei1,2,LUO Boguang1,2(1.Guangxi Engineering Research Center of Intelligent Structural Material,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China;2.Guangxi Key Laboratory of Geotechn
5、ical Mechanics and Engineering,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China)Abstract:Prestress loss is a key parameter in the design and tension construction of prestressed components,it also determines the stress state of components in service.However,the distribution of prestress loss along
6、 the length of the component is basically obtained according to theoretical formula and engineering experience,which is difficult to verify by actual measurement.To overcome this problem,this paper put forward the technology of 收稿日期:2022-07-26基金项目:国家自然科学基金资助项目(52068014);广西创新驱动发展专项(科学AA20302006);广西重大
7、科技创新基地建设项目(2018-242-G02)通信作者:罗伯光(1975),男,广西合浦人,高级实验师,从事结构健康监测,混凝土结构性能研究;Emial:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221486第 7 期覃荷瑛,等:准分布FBG钢绞线对混凝土梁预应力损失的监测coupling multi-point quasi-distributed FBG to the center wire of prestressed steel strand in concrete beams,and carried out experiments to explore the inf
8、luence law of prestress loss and its distribution along the length of components.The experimental results are as follows.Compared with strain gauges with low accuracy and high failure probability,the survival rate of multi-point quasi-distributed FBG is 100%.The monitoring data have good linearity,w
9、hich can realize the monitoring of prestress loss and its distribution.The monitoring value of short-term prestress loss by FBG is consistent with the theoretical value recommended by the specification.The greater the distance from the tensile end,the greater of l1 and the smaller of l2,but the moni
10、toring data are 2%10%smaller than the standard value.The shape of the channel has a great influence on the short-term prestress loss,but has little influence on the long-term prestress loss.The short-term prestress loss accounts for 40%50%of the total loss in the straight channel beam,while the shor
11、t-term loss rate is about 6%.The values in the curved channel beam are 70%73%and 13%,respectively.The long-term prestress loss accounts for 50%60%of the total loss in the straight channel beam,while the long-term loss rate is about 8%.However the values in the curved channel beam are 27%30%and 6%,re
12、spectively.For the total prestress loss,each measuring point in the linear channel is smaller than that in the curve channel.The total loss rate of the former is about 14%,in which the short-term and long-term prestress losses are equal.The total loss rate of the latter is about 19%,in which the sho
13、rt-term prestress loss is the main loss.Monitoring the prestress loss through the multi-point quasi-distributed FBG provides experimental reference and technical support for the design,tension construction and stress analysis of prestressed components.Key words:FBG sensor;prestressed steel strand;pr
14、estress loss;monitoring 桥梁、高层建筑、体育馆等工程结构的大跨度构件往往采用预应力。张拉而后锚固预应力钢绞线使构件服役时受拉部分预先产生压应力,以提高构件的刚度和抗裂度。由于预应力钢绞线与孔道摩擦,混凝土收缩徐变,筋材应力松弛,锚固装置变形等多种原因,预应力在施工张拉以及服役过程中会沿构件长度产生损失,使有效预应力低于张拉控制应力。预应力损失是预应力构件设计及张拉施工的关键参数,损失后的有效预应力决定构件服役时的受力状态,因此获得预应力损失对评估预应力构件安全状态和耐久性能很有必要12。国内外学者通过多种方法对预应力损失进行了研究,如:磁通量法3、电磁传感器4、有限元数
15、值模拟法5等。章陈瀑6采用磁通量法对张拉过程中预应力筋关键部位的有效预应力进行检测,提出摩擦损失修正建议。CHO等7利用电磁传感器测量预应力结构锚固端的预应力,同时对预应力的影响因素进行评估,得出锚固端的预应力计算公式,但该方法局限于锚固端的应力监测。许绍帅8通过有限元数值模拟法对预应力锚索锚固端的预应力进行了研究,确定了锚固段应力的分布规律,但该方法是在理想环境下得到的模拟结果,并未考虑实际工程中的其他因素的影响,如:温度、锚具滑移、酸碱腐蚀等。郭风琪等9采用体外预应力体系对桥梁进行加固,并对体外预应力筋的预应力损失进行监测,获得其在张拉过程中的整体预应力损失。目前有效预应力的监测方法很多,
16、但都存在一定局限性,往往只能实现对构件整体预应力损失的监测;对损失沿预应力筋长度的分布还是依赖理论公式及实践经验进行推导,行之有效的实时监测手段较为缺乏。光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)传感器因其体积小、精度高、可分布式测量等优点,在结构监测领域日益受到青睐1013,也为预应力损失监测提供了新的方法1415。本文基于前期FBG自感知钢绞线研究成果1618,将多点准分布FBG内嵌于混凝土梁的预应力钢绞线中心丝中,以监测预应力混凝土梁在预应力张拉施工及后期阶段预应力损失大小及其沿构件全长分布规律,为设计、施工张拉及服役时受力分析提供试验支撑和远程在线监测技术支持。2
17、741铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月1 FBG应变传感器监测原理由光纤布拉格光栅(FBG)的特征方程:0=2neff,知中心波长0与其周期以及纤芯折射率正相关。当光纤光栅受到外界环境影响时,纤芯折射率neff和光栅周期将发生变化,从而引起相应的中心波长0变化。FBG中心波长变化D的表达式为:D0=D+Dneffneff(1)当温度保持不变,FBG传感器仅受轴向应变影响时,FBG中心波长的漂移量D为:D=1-n2eff2P12-()P11+P120 x=(1-Pe)0 x(2)式中:0为初始中心波长;为泊松比;P11和P12为弹光效应系数;Pe=n2eff2P12-(P11
18、+P12)为有效弹光系数,对于常见的石英光纤,一般取值为0.22;x为光纤光栅感知应变。令FBG应变灵敏度系数K=(1-Pe)0,则有:D=Kx(3)对FBG传感器,应变灵敏度系数K的实际值和理论值有一定差别,具体取值可通过试验标定获得。2 多点准分布FBG 预应力混凝土梁的试验设计2.1预应力混凝土试验梁概况预应力混凝土试验梁全长 7 m,截面尺寸300 mm550 mm,混凝土型号 C30,保护层厚度25 mm。底部纵向受拉钢筋为222 HRB400钢筋,配筋率为 0.46%;顶部架立筋为 210 HRB400 级钢筋,对称布置;中部腰筋为412 HRB400级钢筋,每侧 2 根;箍筋为
19、HPB300,端部加密区 10100,中部非加密区为10200。共浇筑2根预应力混凝土梁,编号分别为L1和L2。L1为直线型预应力孔道梁,L2采用中心对称布置的曲线型预应力孔道梁,孔道直径均为40 mm。尺寸及普通钢筋布置如图1所示。2.2试验梁中多点准分布FBG预应力钢绞线设计试验梁中预应力钢绞线采用标准型17,抗拉强度为1 860 MPa,每根长9 m(两端各长于预应力梁1 m,用作张拉时工作长度),共4根,编号分别为G1,G2,Q1和Q2,其中G1和G2用于L1直线型孔道梁中,Q1 和 Q2 用于 L2 曲线型孔道梁中。每根钢绞线耦合的光纤上各布设5个光栅测点,分别命名为P1,P2,P3
20、,P4和P5,初始中心波长值分别为 1 532,1 541,1 538,1 550 和 1 535 nm,光栅测点的布置如图2和图3所示。图1试验梁结构示意图Fig.1Dimensions and reinforcement details of test beams2742第 7 期覃荷瑛,等:准分布FBG钢绞线对混凝土梁预应力损失的监测表1耦合多点准分布FBG的预应力钢绞线设计Table 1Specifications of prestressed steel strand with integrated multi-point quasi-distributed FBG sensors预
21、应力钢绞线编号G1G1G1G1G1G2G2G2G2G2FBG编号FBGG1-P1FBGG1-P2FBGG1-P3FBGG1-P4FBGG1-P5FBGG2-P1FBG G2-P2FBG G2-P3FBG G2-P4FBG G2-P50/nm1 5321 5411 5381 5501 5351 5321 5411 5381 5501 535K/(10-3 nm-1)1.241.231.241.231.241.201.201.191.211.19用途用于L1梁直线型孔道用于L1梁直线型孔道预应力钢绞线编号Q1Q1Q1Q1Q1Q2Q2Q2Q2Q2FBG编号FBGQ1-P1FBGQ1-P2FBGQ1-
22、P3FBGQ1-P4FBGQ1-P5FBGQ2-P1FBGQ2-P2FBGQ2-P3FBGQ2-P4FBGQ2-P50/nm1 5321 5411 5381 5501 5351 5321 5411 5381 5501 535K/(10-3 nm-1)1.191.201.251.161.181.111.151.161.121.06用途用于L2梁曲线型孔道用于L2梁曲线型孔道注:表中所有FBG应变灵敏度系数K的标定线性拟合相关系数均在0.999 8以上。注:1图中表示G1和G2;2图中长度单位:mm。图2梁L1(直线孔道)结构及测点布置示意图Fig.2Structural details and
23、measurement point layout in prestressed beam L1(straight ducts)图3梁L2(曲线孔道)结构及测点布置示意图Fig.3Structural details and measurement point layout in prestressed beam L2(curved ducts)2743铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月为增加FBG监测量程,采用文献19内嵌预压封装技术。将耦合多点准分布FBG封装于钢绞线的中心丝中,预应力钢绞线制作好后,用张拉台座按照文献20的标定方法对每个测点的FBG应变灵敏度系数K进行标定
24、,具体数据如表1所示。每根钢绞线上每个测点所在的不同边丝上分别布置2个型号为BF120-5AA的应变片,以与FBG监测数据进行对比。3 试验过程、数据分析及结果3.1预应力钢绞线张拉过程及FBG对摩擦预应力损失l1的监测受施工条件及人为因素的限制,无论孔道是直线还是曲线,预应力钢绞线会不可避免地与孔道相互接触而发生摩擦,从而引起预应力损失,这部分损失称为孔道摩擦预应力损失l1,规范21推荐的理论公式为:l1=con(1-e-()u+kx)(4)式中:con为预应力筋张拉控制应力;为预应力筋与孔道壁之间的摩擦因数;为张拉端至计算截面各曲线段孔道弯曲角之和;k为孔道偏差影响系数;x为从张拉端至计算
25、截面的孔道长度,可近似取该段孔道在构件轴上的投影长度。待混凝土梁在 28 d的养护周期完成后并达到设计强度时,梁内对称放置2根预应力钢绞线,一端用锚具固定于梁端,另一端用穿心式液压千斤顶进行张拉。2根钢绞线张拉同时进行,从0 kN开始每级26 kN逐级张拉至195 kN,每级持荷5 min,待预应力钢绞线变形趋于稳定后,用光纤光栅解调仪读取FBG中心波长。钢绞线中测点FBG监测应变计算采用公式:=-0k(5)式中:0为FBG初始中心波长;为钢绞线张拉过程中FBG中心波长,其中K计算时采用表1标定的数值。图4和图5为梁L1和L2中的钢绞线G1,G2,Q1和 Q2在张拉过程中各点 FBG监测到的钢
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