分布式光纖傳感器監(jiān)測預應力 錨索應力狀態(tài)的試驗研究

1、第24卷 增2巖石力學與工程學報 Vol.24 Supp.22005年11月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov . ，2005 收稿日期：20040227；修回日期：20040419基金項目：國家杰出青年科學基金項目(40225006；國家教育部重點資助項目(01086；南京大學985工程項目作者簡介：高俊啟(1973 ，男，2000年于東南大學道路與鐵道工程專業(yè)獲碩士學位，現(xiàn)為博士研究生，主要從事光纖傳感技術的應用及對大型結構物健康監(jiān)測與診斷技術方面的研究工作。E-mail ：junqii_gaao。分布式光纖傳感器監(jiān)

2、測預應力錨索應力狀態(tài)的試驗研究高俊啟1，2，施 斌1，張 巍1，朱 虹3，徐洪鐘1，張 丹1(1. 南京大學 地球科學系，江蘇 南京 210093；2. 南京航空航天大學 土木工程系，江蘇 南京 210016；3. 東南大學 土木工程學院，江蘇 南京 210096摘要：對預應力錨索應力分布狀態(tài)的監(jiān)測一直是巖土預應力錨固工程中的難題之一，而布里淵光時域反射計(BOTDR光纖應變傳感技術是一項新型光電監(jiān)測技術，可對光纖及其附著支護表面的軸向應變實現(xiàn)分布式監(jiān)測，因此研究如何將其應用于巖土工程預應力錨固體系的應力監(jiān)測具有重要的理論意義與工程價值。分別對1根鋼鉸線錨索與3根基綸纖維增強復合塑料(AFRP

3、錨索進行了應力狀態(tài)監(jiān)測試驗，分布式應變采樣點最小間距為5 cm。測試結果表明，分布式光纖傳感器具有較高的測量精度，光纖傳感器與應變計測量結果之間的相對誤差小于3.8%。在張拉錨固階段，1根鋼鉸線錨索的預應力損失為8.8%，3根AFRP 錨索的預應力損失小于6.08%；30 d后鋼鉸線錨索預應力損失為11.1%，AFRP 錨索預應力損失小于10.3%。由此可見，將BOTDR 分布式光纖傳感技術應用于巖土工程預應力錨索的應力分布狀態(tài)監(jiān)測具有廣闊的前景。關鍵詞：布里淵光時域反射計；分布式光纖傳感器；預應力錨索；應力監(jiān)測；基綸纖維增強復合塑料中圖分類號：TV 223.34；TN 253 文獻標識碼：A

4、 文章編號：10006915(2005增2560407EXPERIMENTAL STUDY ON MONITORING OF STRESS FOR PRESTRESSED ANCHORAGE CABLE USING DISTRIBUTED FIBEROPTIC SENSORGAO Jun-qi1，2，SHI Bin1，ZHANG Wei1，ZHU Hong3，XU Hong-zhong1，ZHANG Dan1(1. Department of Earth Sciences，Nanjing University，Nanjing 210093，China ；2. Department of Civ

5、il Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China ；3. College of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China Abstract ：The monitoring of the stress distribution along prestressed anchorage cables is one of the unsettled issues for prestressed rein

6、forcement in geotechnical engineering. As a novel optical fiber sensing technique，BOTDR (Brillouin optical time domain reflectometer can be used to measure the distributed strain along an optical fiber bonded to the support structure. Therefore，it is of great theoretical significance and practical v

7、alue to study how to apply this technique to the monitoring of the stress distribution for the prestressed anchorage cables. A tensile test is carried out for one steel and three AFRP (aramid fiber reinforced plastic prestressed anchorage cables while the strain distributions of the cables are monit

8、ored simultaneously with a sample resolution of 5 cm. The experimental results show that the distributed fiber optic sensing holds a rather high accuracy，with a relative error of the measurement results of no more than 3.8% between the fiber optic sensor and the strain gauge. The instantaneous prest

9、ressing loss of steel prestressed anchorage cable is 8.8%，while the instantaneous prestressing loss of AFRP prestressed anchorage cables were under 6.08%. After 30 days，the total prestressing loss of steel第24卷 增2 高俊啟等. 分布式光纖傳感器監(jiān)測預應力錨索應力狀態(tài)的試驗研究 5605 prestressed anchorage cable was 11.1%，while the tot

10、al prestressing loss of AFRP prestressed anchorage cables were under 10.3%. Thus，the conclusion can be drawn herein that BOTDR distributed fiber optic sensing shows considerable applicability in monitoring the stress (strain state of prestressed anchorage cable in geotechnical engineering.Key words：

11、Brillouin optical time domain reflectometer(BOTDR；distributed fiber optic sensor；prestressed anchorage cable；stress monitoring；aramid fiber reinforced plastic(AFRP1 引 言預應力錨固技術由于具有對巖(土 體擾動小、施工快捷、安全可靠、經(jīng)濟高效等優(yōu)點，在高邊坡防護、大壩加固、滑坡治理等巖土工程中得到廣泛的應用13，如在三峽工程永久船閘高邊坡加固工程中，在一些關鍵部位僅3 000 kN級錨索就布置了367束，且預應力錨索長達60 m4。

12、對于此類意義重大的錨固工程，工程技術人員有必要了解錨索的應力狀態(tài)以及預應力損失情況。目前工程上常用的用于監(jiān)測錨索預應力狀態(tài)的測力計有四類，即差動電阻式、電阻應變計式、鋼弦式和電感式傳感器。這些傳感器安裝在錨墊板和錨具之間，通過測量其所受的壓力值來推算錨索的預應力5。但此測量技術易受外界惡劣環(huán)境的影響而使測量精度降低，如電磁干擾、酸堿腐蝕、材料老化和潮濕環(huán)境等，且難以實時在線地監(jiān)測錨索的分布式應力狀態(tài)。 近年來，應用光纖傳感技術監(jiān)測錨索及構筑物的應力和應變狀態(tài)，越來越受到工程界的重視，并開始得到廣泛應用6，7。這是因為，光纖傳感器具有許多優(yōu)點，如良好的耐久性、抗腐蝕、抗電磁干擾，適合于在惡劣環(huán)境

13、中長期工作等。因此研究如何將光纖傳感技術應用于大型預應力錨索系統(tǒng)具有重要的意義。BOTDR 是布里淵光時域反射計(Brillouin optic time domain reflectometer的簡稱，其基本原理是利用傳感光纖中的自然布里淵散射光的頻移變化量與光纖所受的軸向應變之間的線性關系，得到光纖的軸向應變。日本、加拿大、瑞士等國已將其應用于樁基、隧道、堤岸和錨固等工程的應變檢測和監(jiān)控中，并已證明了這一技術的有效性和優(yōu)越性8，9。我國自2001年由南京大學地球環(huán)境計算工程研究所從日本引進這一技術后開展了一系列的試驗研究，并先后承擔了幾個重大隧道工程的分布式應變監(jiān)測項目，取得了一系列重要成

14、果1015。本文在3根芳綸纖維增強復合塑料(AFRP錨索和1根鋼鉸線錨索上鋪設了傳感光纖，應用BOTDR技術實現(xiàn)同時對多個預應力錨索全過程的狀態(tài)監(jiān)測(張拉、鎖定和運行階段 。試驗中主要對預應力錨索的應變、預應力損失、錨索受力狀態(tài)和均勻性及張拉力進行了監(jiān)測，并對試驗結果進行了分析。2 BOTDR技術簡介光波在光纖中傳播并與光纖中的聲學聲子相互作用并發(fā)生布里淵散射。散射光的頻率相對于注入的脈沖光頻率將產(chǎn)生漂移，布里淵散射光頻率漂移量與光纖所受的軸向應變或溫度的變化呈良好的線性關系，BOTDR 正是利用這一線性關系來對構筑物進行應變監(jiān)測。對整個測試光纖，只要測得光纖各位置的布里淵散射光功率和頻率，就

15、可得到光纖上各處的應變分布和溫度分布，如圖1所示。圖1 BOTDR的應變檢測示意圖Fig.1 Principle of distributed strain sensor BOTDR在環(huán)境溫度變化不大的情況下，光纖的應變量與布里淵頻率的漂移量可用下式表示：d (d 0( (B B B v v v += (1 式中： (B v 為有應變時光纖布里淵頻率的漂移量；0(B v 為無應變時光纖布里淵頻率的漂移量；d / (d B v 為比例系數(shù)，約為0.5 GHz；為光纖的應變量。由光纖的一端向光纖中注入脈沖光，并在同一 5606 巖石力學與工程學報 2005年 端用BOTDR 接收布里淵背向散射光。

16、因此，由某一點返回的布里淵散射光到BOTDR 的距離Z 可用下式計算：ncTZ 2=(2 式中：c 為真空中的光速，n 為光纖的折射系數(shù)，T 為發(fā)出脈沖光至接收到散射光的時間間隔。通過式(1，(2，就可求得光纖軸向任一位置的應變。BOTDR 應變檢測原理見圖1。基于BOTDR 的傳感光纖與傳統(tǒng)的電測傳感器相比具有防水防潮、耐久性好以及抗電磁干擾、耐腐蝕的特點。此外，光纖體積小、柔軟可彎曲，能以任意形式復合于基體結構中而不影響基體的性能。BOTDR 光纖傳感系統(tǒng)最具優(yōu)勢的地方還在于光纖既是傳感元件又是傳輸媒介，屬于分布式監(jiān)測，既可以通過一根光纖鋪設在多個錨索上，實現(xiàn)對多個錨索的同步監(jiān)測，又可與光

17、纖傳輸系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程監(jiān)測。3 預應力錨固試驗預應力錨固是巖土工程中應用十分廣泛的加固技術，因此監(jiān)測預應力錨索的工作狀態(tài)十分重要。本試驗中錨索采用了一種抗疲勞和耐腐蝕均很好的新材料芳綸纖維增強復合塑料(AFRP。為了進行對比，試驗中還采用了一根高強低松弛鋼鉸線。 3.1 試驗布置本次試驗主要在小比尺混凝土壩體模型上進行，模型截面尺寸見圖2。試驗中共安裝了3根AFRP 錨索(A 1，A 2，A 3 和1根鋼鉸線錨索(S 1 ，2種錨索自由段長2.3 m，錨固段長0.6 m，錨索之間的間距為0.4 m，錨索基本參數(shù)見表1，2。為了驗證BOTDR 檢測結果的正確性，在3根AFRP 錨索和1根

18、鋼鉸線錨索上分別粘貼了3片電阻應變計，圖2 預應力錨索的布置Fig.2 Setup of the prestressed anchorage cables進行結果比較。相鄰兩電阻應變計之間的距離為0.5 m，中間一片電阻計位于錨索自由段的中點。加載設備采用YCJl50型千斤頂和hz2132型電動油泵。由于設備數(shù)量有限，故采取逐個錨孔逐級循環(huán)加載，每級荷載加載完成后恒載510 min，用BOTDR 采集一次數(shù)據(jù)，同時用電阻應變計檢測錨索的應變。錨固荷載共分3級張拉，各級荷載分別為10，40和70 kN。張拉到設計荷載后，恒載10min ，壓力表無變化時就可以鎖定卸載。鎖定后測量一次，觀察錨索的預

19、應力瞬時損失。經(jīng)過30 d后，再次對錨索的應變進行了檢測，以計算時間引起的預應力損失。數(shù)據(jù)采集設備為日本最新一代的AQ8603光纖應變分析儀。 3.2 傳感光纖的鋪設本次試驗中采用的傳感光纖為0.9 mm的緊套單模光纖，其結構組成為：纖芯/涂覆層/護套(83 m /125 m /900 m 。為了保證傳感光纖與錨索的表1 鋼鉸線錨索基本參數(shù)Table 1 Parameters of steel prestressed anchorage cable強度級別/ MPa屈服荷載/ kN破壞荷載/ kN1 000 m理論重量/ kg公稱面積/ mm2伸長率/% 1 860234.6260.71 10

20、21403.5表2 AFRP錨索基本參數(shù)Table 2 Parameters of AFRP prestressed anchorage cable抗拉強度/ MPa彈性模量/GPa泊松比 密度/(kg·m 3面積/ mm2極限應變/%1 36062.50.38125852.4第24卷 增2 高俊啟等. 分布式光纖傳感器監(jiān)測預應力錨索應力狀態(tài)的試驗研究 5607 變形完全一致，傳感光纖必須緊密粘貼在錨索表面，為此對粘結劑的配比進行了多次試驗，最終選定環(huán)氧樹脂650低分子650聚酰胺為21的質(zhì)量配比。通常情況下，AFRP 錨索呈彎曲狀態(tài)。為便于粘貼光纖，首先將AFRP 錨索拉直，然后用

21、專用清洗劑將錨索表面擦洗干凈，以0.5 m間距用專用粘結劑將傳感光纖固定在錨索上，最后在傳感光纖部位涂覆環(huán)氧樹脂粘結劑，將傳感光纖完全粘貼在錨索表面，見圖3。 圖3 傳感光纖鋪設示意圖Fig.3 Fixing sensing fiber to AFRP prestressed anchoragecable將布置了傳感光纖的錨索安裝到混凝土壩體模型上，然后將傳感光纖的兩端從預留錨孔中引出。在張拉端錨板上對應錨孔的部位穿1個3 mm小孔，將外加PV 管保護的傳感光纖從該小孔引出。然后將4根錨索上粘貼的傳感光纖用FSM 16R 光纖熔接機連接起來。這樣在1根傳感光纖上有4個部位可以感應錨索的應變變化

22、。 3.3 BOTDR 光纖應變分析儀試驗所采用的BOTDR 光纖應變檢測設備為日本最新一代的AQ8603光纖應變分析儀，該儀器的主要技術性能指標如表3所示。AQ8603再通過GP IB 接口與計算機相連，便于數(shù)據(jù)采集和分析。4 試驗成果分析圖4為BOTDR 監(jiān)測到的AFRP 錨索A 1，A 2，A 3和鋼鉸線錨索S 1在張拉力10，40與70 kN作用下的應變分布。圖中橫坐標代表傳感光纖距離光纖起點的長度，縱坐標表示在某一位置傳感光纖發(fā)生的應變。被粘貼到錨索上的傳感光纖將因感應到錨索的同步變形而應變增大，未被粘貼到錨索上的傳感光纖應變沒有變化，保持零應變狀態(tài)，其中感應錨索應變的傳感光纖長度對

23、應光纖的粘貼長度2.3 m。從圖4中可以看出，隨著張拉力增加，錨索A 1，A 2，A 3和S 1的應變均成比例增大。A 1，A 2和A 3為AFRP 錨索，在同一級荷載下，其應變值比較一致。S 1為高強低松弛鋼鉸線，由于其彈性模量和截面面積均比AFRP 的大，在同一級荷載下如70 kN，鋼鉸線的應變比AFRP 的要小，鋼鉸線錨索S 1的應變?yōu)? 450 ，AFRP 錨索A 1的應變?yōu)?3 040 。利用BOTDR 技術，可以直觀地看到每一根錨索在各級荷載下的應變分布，可以實現(xiàn)對多個錨索位置/m圖4 張拉荷載下錨索的應變分布Fig.4 Strain distribution of the pre

24、stressed anchorage cables表3 AQ8603光纖應變分析儀的主要技術性能指標 Table 3 Specifications of optical fiber strain analyzer AQ8603測量距離 /km空間采樣 間隔/m空間定位 精度/m 應變測量 范圍脈沖寬度 /ns 空間分辨率/ m 應變測量 精度 重復性10 1 202 ±0.004%0.04%505100 11 1，2，5，10，20，40，801.00，0.50，0.20，0.10，0.05±(2.0×105×測量距離(m0.2 m2×距離采樣

25、間隔(m1.5%1.5% 200 22±0.003% 0.02%應變/(103 5608 巖石力學與工程學報 2005年的同步監(jiān)測，而普通的壓力傳感器則不能獲得沿錨索長度方向錨索的應變分布，一般只能得到錨索總的預應力值。既便采用價格昂貴的錨索應變計，也只能測出錨索某一部位的應變，不能檢測整根錨索的應變分布。圖5，6為基于BOTDR 的分布式光纖傳感器監(jiān)測的錨索A 2和S 1的分布式應變與應變計測量的錨索的點式應變對比曲線。從圖5可以看出，對于錨位置/m圖5 BOTDR和應變計測量的A 2錨索的應變分布 Fig.5 Strain distribution of the A 2 pres

26、tressed anchoragecable measured by BOTDR and strain gauge位置/m圖6 BOTDR和應變片測量的S 1錨索的應變 Fig.6 Strain distribution of the S 1 prestressed anchorage cablemeasured by BOTDR and strain gauge索A 2，BOTDR 和應變計測量的結果比較一致，并且整個錨索的應力應變分布比較均勻。對于錨索S 1，BOTDR 和應變計測量的結果也比較一致，但整個錨索的應力應變分布略有波動，靠近張拉端的應力最大。表4列出了錨索在各級張拉荷載下光纖

27、傳感器與應變計測量結果之間的相對誤差，即認為應變計測量值為錨索的實際值，相對誤差 =(BOTDR測量值應變計測量值/應變計測量值。應 變計測量值取粘貼在錨索自由段中點的應變計所測表4 分布式光纖傳感器與應變計測量結果的相對誤差 Table 4 Relative error between the results measured byfiber optic sensor and strain gauge錨索荷載值 /kN BOTDR 測量值/ 應變計測量值/ 相對誤差/% 102 740 2 848 3.8 40 7 585 7 662 1.0 A 27012 86012 9380.610 2

28、80 289 3.240 1 165 1 197 2.7 S 1702 4502 4971.9量的結果。由于BOTDR 可以檢測整個錨索的應變分布，為能與所選應變計測量值相比較，BOTDR 測量值也取對應錨索自由段中點的應變值。從表4可以看出，分布式光纖傳感器與應變計測量結果之間的相對誤差基本為3.8%0.6%。基于BOTDR 的分布式傳感器檢測的應變能夠比較準確地反映錨索的應力應變狀態(tài)。表5為錨索A 1，A 2，A 3和S 1張拉力的檢測結果。利用下式可以計算出錨索在各級荷載下所承受的張拉力。其中的取值為錨索自由段中間1 m的平均應變值：SE F = (3式中：F 為錨索張拉力，S 為錨索的

29、截面面積，E 為錨索的彈性模量， 為錨索應變值。表5 錨索張拉力的檢測結果Table 5 Measuring results of the prestressing force各級設計值/kN錨索張拉錨索編號10 40 70與設計值70 kN比值/% 鎖定后張力/kN預應力瞬時損失/%1個月后錨索張力/kN預應力損失/%A 1 15.46 41.40 69.28 98.97 66.5 4.10 59.66 10.30 A 2 14.55 40.30 68.32 97.60 64.4 6.08 58.04 9.87 A 3 13.65 38.73 66.62 95.17 66.3 0.48 63

30、.93 3.70S 1 7.84 32.62 68.60 98.00 63.0 8.80 56.00 11.10應變/(103 應變/(103 第 24 卷 增2 高俊啟等. 分布式光纖傳感器監(jiān)測預應力錨索應力狀態(tài)的試驗研究 5609 從表 5 中可以看到，在對錨索預應力的前二級 張拉過程中，3 根 AFRP 錨索的預應力值均能達到 對應的設計張拉值，而普通的鋼鉸線錨索的預應力 值 只 能 分 別 達 到 對 應 的 設 計 張 拉 值 的 78.4% ， 時， AFRP 錨索的瞬時預應力損失為 0.48% 6.08% ， 普 通 的 鋼 鉸 線 錨 索 的 預 應 力 損 失 為 8.8%。

31、經(jīng)過一個月之后，錨索 A1，A2，A3 的預應 力損失分別達到10.3%，9.87%和3.7%，鋼鉸線 錨索 S1 的預應力損失達到11.1%?；?BOTDR 的分布式光纖傳感器應用于預應力錨索的狀態(tài)監(jiān)測 還有以下優(yōu)點： 81.6%。在最后 70 kN 的張拉中，AFRP 錨索預應力 可以達到設計值的 95.17%98.97%，鋼鉸線預應力 也能達到設計值的 98。由于錨索的錨固試驗在混 凝土壩體模型上進行，短期內(nèi)混凝土的收縮徐變很 小，且 AFRP 錨索有較好的彈性變形特性，AFRP 錨索能夠很好地達到預定設計張拉力值。而普通鋼 鉸線由于存在蠕變現(xiàn)象，在每級荷載下其預應力值 都比相應的設計

32、值小。錨索鎖定之后，AFRP 錨索 和普通鋼鉸線錨索均有預應力損失。為便于比較每 根錨索的預應力損失，錨索預應力變化統(tǒng)一按光纖 檢測值的相對百分數(shù)計算，即：鎖定時預應力損失 值 = (鎖定值鎖定前測量值/鎖定值；鎖定后預應 力損失值 = (鎖定后測量值鎖定值/鎖定值。 AFRP 錨索預應力瞬時損失為0.48%6.08%。鋼鉸線 錨索的預應力瞬時損失為8.8%。 經(jīng)過一個月之后， 錨索 A1，A2，A3 的預應力損失分別達到10.3%， 9.87%和3.7%，鋼鉸線錨索 (1 該測試系統(tǒng)結構簡單、測量范圍大、易于 安裝，而傳統(tǒng)的弦式傳感器，由于安裝位置未能正 對錨索鋼鉸線的抽出，容易導致傳感器偏

33、心受壓， 造成傳感器各弦之間測得的數(shù)據(jù)相差較大。 (2 該測試系統(tǒng)可以從直觀上了解錨索的工作 狀態(tài)，掌握錨索預應力的損失。通過補償張拉使其 恢復到設計要求，同時可以指導設計及施工，并根 據(jù)出現(xiàn)的異常情況，采取相應的加強措施。 (3 基于 BOTDR 的分布式光纖傳感器具有耐 久性好、抗電磁干擾、信號穩(wěn)定等優(yōu)點，且鋪設成 本不高，可以利用普通的單模光纖或者特制的傳感 光纖，并且利用 1 根傳感光纖可以監(jiān)測多個錨索的 受力狀態(tài)。 由此可見，基于 BOTDR 的分布式光纖監(jiān)測技 術應用于預應力錨索的狀態(tài)監(jiān)測是可行的，與傳統(tǒng) 的監(jiān)測方法相比具有獨特的優(yōu)勢，其應用前景十分 廣闊。 參考文獻(Refere

34、nces： 1 陳安敏，顧金才，沈 俊，等. 軟巖加固中錨索張拉噸位隨時間 S1 的預應力損失達 到11.1%。鎖定時錨索預應力損失原因主要是由于 錨具楔滑。鎖定后錨索預應力損失主要來自以下 2 方面：(1 錨索松弛回彈；(2 混凝土的徐變。為降 低錨索松弛損失，錨索張拉應采用多次張拉和持荷 超張拉補償?shù)霓k法。 5 結 語 變化規(guī)律的模型試驗研究J. 巖石力學與工程學報，2002，21(2： 251256.(Chen Anmin，Gu Jincai，Shen Jun，et al. Model testing research on the variation of tension force

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36、驗過程中沒有出現(xiàn)斷開的現(xiàn) 象，這說明配制的粘結劑在起到粘合作用的同時也 能起到很好的保護作用。在對錨索進行張拉的過程 中，通過光纖應變檢測設備 AQ8603 和與之相連的 計算機，可以直接觀察預應力錨索在每級荷載下的 應變分布以及錨索任一截面上所承受的張拉力。對 于 AFRP 錨索，在每級荷載作用下其預應力均能達 到設計值，而普通的鋼鉸線錨索，其預應力在前二 級荷載作用下未能達到預定的設計值，在最后 70 3 析J. 巖石力學與工程學報， 2001， 20(5： 653656.(Gao Dashui， Zeng Yong. Monitoring analysis on prestress st

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38、sed anchor-rope and frame beam-on-foundation on high rock slopeJ. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2002，24(4：479 482.(in Chinese kN 的張拉下，其預應力達到了設計值。在錨索鎖定 5610 4 巖石力學與工程學報 2005 年 王紅峽，王佳寧，王經(jīng)五. 試論預應力錨固技術在我國水利水電 工程中的應用與發(fā)展J. 華北航天工業(yè)學院學報，2003，13(1： 29 32.(Wang Hongxia ， Wang Jianing ， Wang Jingw

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