FBG自感知预应力碳纤维板在桥梁加固中的应用

互推小编 2023-11-04

何劲徐温宋丹青罗仕刚郑柳春

卡本科技集团股份有限公司天津工业大学纺织科学与工程学院

摘要：为监测自感知预应力碳纤维板在大跨度桥梁加固过程中的应力损失情况，对自感知预应力碳纤维板应力监测性能进行测试，分析温度、应力和长期监测对光栅中心波长的影响，并对应力损失计算方法进行优化。结果表明，自感知预应力碳纤维板的温度系数常数为8.08 pm/℃,线性相关度R2≥99.9%,应变系数为1.2;锁紧螺母卸除张拉工装时，应力损失约0.22%,3 d后应力损失约4.2%,并基本保持稳定。现场应用效果表明，自感知预应力碳纤维板能够有效监测桥梁的应力变化，具有良好的工程监测应用前景。

关键词：桥梁加固;自感知预应力;光纤光栅;预应力碳纤维板;应力监测;

基金：国家自然科学基金项目,项目编号52173009;

1 研究背景

近年来，碳纤维复合材料发展迅猛，碳纤维板(CFRPP)因强度高、质量轻、耐腐蚀和抗疲劳等特点，已被应用到桥梁加固方向[1,2,3]。预应力碳纤维板加固技术作为一种体外预应力加固技术，不仅能够增加构件的强度、刚度，还能有效改善构件表面的裂缝[4]。与新建桥梁相比，对危旧桥梁进行预应力碳纤维板加固，不仅可以大幅度降低拆桥重建所造成的人力、物力和时间的浪费，而且能够在不阻断交通的情况下对桥梁进行加固，提高既有桥梁的承载能力，减少安全隐患[5]。

使用预应力碳纤维板加固桥梁时，应力会随着时间的推移而产生损失，减弱加固件的承载能力。长期处于低频振动下的碳纤维板，会因材料的脆性损伤、疲劳积累和长期蠕变等问题，对加固件的结构产生不利影响[6,7,8]。Holaway[9]等通过试验证明，预应力碳纤维板的应力损失和混凝土的弹性收缩相关；Dai[10]等给出了应力损失的计算方法、计算公式及损失的估算值的理论计算方法，试验验证了预应力损失的实测值与理论值偏差较大。多种原因使得在加固过程中应力损失的测量和计算比较复杂，应力理论计算值与实际施工过程中的应力数值差距较大，对加固构件健康状况的评测效果并不理想。因此，在加固施工过程中乃至后期应用中实施应力监测，对预应力加固技术的推广和建筑物的结构安全具有重大意义。

将纤维增强塑料与光纤光栅(FBG)耦合制备而得的预应力加固系统，能够集加固和监测为一体，在加固桥梁的同时可感知应力损失的大小，并对桥梁的健康状况进行实时监测[12]。目前市面上耦合光纤光栅的碳纤维板工作长度一般为10～20 m, 对工作长度超过30 m的自感知多点监测碳纤维板的加固应用和研究较少。本研究结合实际工程应用，测试长度为33 m的三栅点自感知预应力碳纤维板的应力监测性能，并计算在实际加固时的应力损失情况，以简化应力损失计算方法，并为自感知预应力碳纤维板在桥梁加固中的应用提供参考依据。

2 系统组成和监测原理

2.1系统组成

自感知预应力系统主要包括两部分，即预应力碳纤维板张拉加固系统和光纤光栅传感系统。预应力碳纤维板张拉系统主要由碳纤维板材、锚具和配套的张拉工装组成[13]。光纤光栅传感系统由光纤光栅传感器、光纤解调仪、通讯线缆和辅助配件组成。自感知预应力系统的组成如图1所示。

2.2加固监测原理

2.2.1加固原理

自感知预应力碳纤维板加固部分的示意图如图2所示。碳纤维板两头通过锚固装置锚固，靠近梁底的一面涂抹胶粘剂，再通过千斤顶施加应力；当应力达到设计要求时，锁紧螺母，释放张拉装置，完成预应力的施加。此时，碳纤维板中能够给梁底施加应力，缩小裂缝，起到加固作用。

图1 自感知预应力系统组成示意下载原图

图2 自感知预应力碳纤维板加固示意下载原图

2.2.2监测原理

自感知预应力碳纤维板对应力变化的感知，主要依靠嵌入在碳纤维板中的光纤光栅传感器。光纤光栅的制备方法一般是，利用掺杂诸如锗、磷等元素光纤的光敏性，通过全息干涉法或者相位掩膜法，将其中的一小段放入一个周期分布的光波下曝光，使光的折射率发生周期性的永久性变化。

FBG监测示意图如图3所示。光纤解调仪能够发射光谱光束，光束沿着光纤到达碳纤维板内部的传感器，特定的光波被反射，其余光波则发生透射。当施加应力时，碳纤维板和光纤光栅同步伸长，光纤光栅内部栅格距离增加，反射波长的周期发生改变。因为碳纤维板的应力与应变关系遵循胡克定律，所以光纤光栅中心波长变化量能反映出施加应力的大小。光纤的主要成分是二氧化硅，其热膨胀系数为5.0×10-7,受温度影响出现热胀冷缩现象，也会对光栅中心波长产生影响。

光纤光栅中心波长变化量与应力和温度之间的关系可以用式(1)来表达。

ΔλB=αεΔε+αtΔt (1)

式中：αε为应变系数；αt为温度灵敏度系数；ΔλB为Bragg中心波长变化量；Δt为温度变化量；Δε为碳纤维板应变变量。

图3 FBG监测示意下载原图

3 试验方法

为验证自感知预应力碳纤维板的监测性能，得出式(1)中的各项系数值，首先制备一条规格为100 mm×2 mm×500 mm的耦合光纤光栅传感器的单栅点碳纤维板样条，验证温度对传感器的影响，以保证数据的准确性，其中光纤光栅传感器应变系数为1.2 pm/με。在室温条件下，记录自感知碳纤维板的光栅中心波长，然后将样条放入烘箱内停留30 min后，记录光栅中心波长，烘箱温度分别设置为30℃、40℃、50℃、60℃。接下来制备一条规格为100 mm×2 mm×3 300 mm, 自由段长度为33 m的三栅点自感知碳纤维板，并对其进行标定、应力损失计算和现场应用分析。采用千斤顶的方式对自由段进行加压测试。千斤顶油表每隔4 MPa记录一次中心波长，记录至44 MPa的油表读数，对应力值约210 kN,并持荷10 min; 将张拉端螺母拧紧，卸除千斤顶后再次记录波长数据。重复3次后，拧紧螺母，定期记录光栅中心波长和温度。最后将自感知碳纤维板应用于实际的桥梁加固中。

4 试验结果与分析

4.1温度试验标定结果

光栅中心波长与温度的变化曲线如图4所示。从图4中可以看出，随着温度的升高，波长数值不断增加。经过拟合计算，光栅中心波长与温度的关系方程为y=0.008 08x+1 540.319,波长与温度之间的线性度R2≥99.9%,两者之间线性关系明显。此时自感知碳纤维板不受应力作用而只受温度到影响，所以Δε=0,式(1)可以简化为ΔλB=αtΔt。关系方程的斜率为0.008 08,即耦合光栅传感器碳纤维板的温度系数常数为αt=8.08 pm/℃,表示温度每变化1℃,传感器中心波长变化8.08 pm, 该常数用于修正温差对应力计算造成的偏差，提高应力监测的准确性。

图4 光栅中心波长与温度变化曲线下载原图

4.2应力试验标定结果

使用校准后的千斤顶对自感知预应力碳纤维板进行标定测量。3个栅点的光栅中心波长与应力关系曲线图如图5所示。对测得的波长和应力数据进行拟合可知，3个栅点的线性相关度R2均≥99.9%,表明应力和波长之间线性关系较好。3个栅点的斜率分别为0.0756、0.075 0和0.076 9,斜率数值非常接近，表明自感知预应力碳纤维板应力传递基本一致，能够保证在后续实际使用中监测性能的稳定性。

根据应力与应变之间的关系和图5中3个栅点的斜率，计算光栅中心波长变化与碳纤维板应变、环境温度的关系。由于试验在1 h完成，温度几乎没有变化，因此可不考虑温度对试验的影响，可将式(1)化简为式(2)。

图5 3个栅点中心波长与应力变化曲线下载原图

ΔλB=αεΔε (2)

碳纤维板应力与应变的关系为式(3)。

σ=E·ε (3)

式中：σ为应力；E为纤维板模量；ε为应变。

根据碳纤维板性能测试数据，E取160 GPa, 联合各式可求得栅点1处的应变系数αε1=1.21。同理，可计算出另外2个栅点处的应变系数αε2=1.20和αε3=1.23。从计算结果可知，自感知预应力碳纤维板与传感器本身的应变系数1.2相比，数值相差较小。为方便工程计算，可直接采用传感器本身的应变系数，即αε=1.2,从而可得光栅中心波长变化与碳纤维板应变、环境温度的关系为式(4)。

ΔλB=1.2Δε+8.08Δt (4)

4.3力值损失计算与结果分析

为了优化力值损失计算方法，以文献中报道的力值损失计算方法作为参照，对两种力值损失计算方法得到的结果进行对比。

方法1:经过测量和计算可知，碳纤维板的模量E为160 GPa, 宽度为100 mm, 厚度为2 mm, 截面积S为200 mm2。根据参考文献[11],力值损失量△F的计算式为式(5)。

ΔF=Δε·E·S (5)

方法2:已知应力与波长的对应方程的线性度R2>99%,因此，根据图5可算出每10 kN对应波长变化值，再结合式(2)可得力值损失量△F′(单位：kN)的计算式(6),k为标定方程的斜率。

ΔF′=Δλ−8.08Δt5k (6)ΔF′=Δλ-8.08Δt5k (6)

张拉至206 kN时，工装卸除前后波长数值变化见表1。根据表1中的数据，对3个栅点各自3次张拉后的波长损失取平均值，再采用2种不同的方法对3个栅点处应力损失量进行计算，得到的结果如图6所示。从图6中可以看出，采用方法1计算出的力值损失量最大为0.466 kN,最小为0.448 kN;采用方法2计算出的力值损失量最大为0.459 kN,最小为0.453 kN。方法2得出的结果与方法1略有不同，这可能是因为纤维材料模量的离散性较大，不同批次的纱线模量有略微差异。根据图6中的数据可以计算出，方法1计算出的平均应力损失为0.229%,方法2计算出的平均应力损失为0.228%,两种方法计算出的数据差值非常小。

表1 张拉工装卸除前后波长数值变化导出到EXCEL

次数	张拉卸除前			张拉卸除后
	FBG1	FBG2	FBG3	FBG1	FBG2	FBG3
1	1 539.562	1 552.087	1 564.111	1 539.542	1 552.069	1 564.094
2	1 539.534	1 552.060	1 564.101	1 539.517	1 552.045	1 564.083
3	1 539.556	1 552.072	1 564.108	1 539.541	1 552.054	1 564.090

图6 两种方法应力损失计算结果对比下载原图

自感知预应力碳纤维板在持荷14 d的情况下，3个栅点的中心波长随着时间的变化曲线如图7所示。栅点1中心波长随时间变化曲线如图8所示。从图7中可以看出，3个栅点的变化规律基本相同，表明3个栅点处碳纤维板受温度影响时，产生的收缩基本一致。以栅点1波长变化情况为例，对应力损失情况进行分析。卸除张拉工装后，光栅的波长随着时间增加逐渐降低，这表明碳纤维板内部应力在减小。原因可能是，施加预应力后，混凝土被压缩，锚固装置也因为高应力而发生微弱的形变[19,20]。从第3 d开始，波长的变化趋于平稳。完成预应力施加后，光栅中心波长为1 539.752 nm, 温度为25℃;第3 d时波长变化为1 539.413 nm, 温度为26℃。根据方法1可得出应力损失量为8.6 kN,方法2得出的应力损失量为8.5 kN,力值损失分别为4.17%和4.13%。同时，在工程中使用方法2计算应力损失时，得到的数据较为准确，而且简单快速，节约测试时间和经济成本。

图7 中心波长随时间变化曲线下载原图

图8 栅点1中心波长随时间变化曲线下载原图

4.4实际应用

自感知预应力碳纤维现场项目现场安装照片如图9所示。从图9中可以看出，自感知预应力碳纤维安装简单，对桥体影响小，与传统预应力的安装方法一致，对施工速度基本没有影响。

图9 现场安装实景下载原图

卡车经过加固桥梁时，光栅1波长监测数据的变化情况如图10所示。从图10中可以看出，光栅1的中心波长呈明显的波浪形，中间高两边低。这是因为卡车从远处驶向碳纤维板所在位置时，由其震动产生的波先被记录下来，经过桥体时，载荷增加，碳纤维板伸长，光栅中心波长数值变大，驶离时则回归正常。从图5中可知，波长与应力之间存在线性关系，波长增大则表示应力增大。这些结果说明，自感知预应力碳纤维板在实际应用时表现出良好的应力实时监测效果。

图10 卡车通过时栅点1的波长变化下载原图

5 结语

本研究首先在只受温度和应力两种条件下对自感知预应力碳纤维板进行标定，测试自感知预应力碳纤维板的性能，然后根据测试数据计算温度系数和应变系数，再通过两种方法分别计算出卸除工装时和卸除工装3 d后的应力损失情况，得出以下结论。

(1)自感知预应力碳纤维板温度系数为8.08 pm/℃,3个栅点的应变系数分别为1.21、1.20和1.23。为方便计算，可直接取传感器的应变系数1.2。自感知预应力碳纤维板线性相关度R2≥99.9%,表明波长和应力有良好的线性关系，具有精准监测应力损失的能力。

(2)采用两种方法对应力损失进行计算。卸除工装时，自感知预应力碳纤维板应力损失分别为0.229%和0.228%;第3 d时波长变化基本稳定，应力损失分别为4.17%和4.13%。采用两种方法计算得到的应力损失结果基本相同，都具有准确计算应力损失的能力。在实际应力计算时，采用方法2更加方便、快捷、高效。

(3)在实际监测过程中，自感知预应力碳纤维板能够明显感知车辆通过时的应力变化情况，具有良好的监测应用效果。

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