王桂萱，蔣園豪，臧 麒，趙 杰，黃 平

(大連大學 土木工程技術研究與開發(fā)中心，遼寧 大連 116622)

近年來，城市地下空間的開發(fā)和利用越來越廣泛，在安全性方面給我們提出了更高的要求。伴隨著地下深基坑的開挖，常會出現(xiàn)一些工程安全控制問題，比如深基坑的開挖會對臨近的地鐵、城市管線造成影響，以及隧洞開挖會對既有隧洞造成影響等。為了避免對周邊環(huán)境造成影響，工程上通常會采用支護結(jié)構(gòu)的施工方法來進行保護。但是支護結(jié)構(gòu)在施工過程中不僅會造成周圍土體沉降，而且還會對周邊建筑物產(chǎn)生一定的影響，甚至會帶來由于滲漏原因產(chǎn)生的嚴重施工風險。因此，在施工過程要對支護結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測[1]。研究者及施工業(yè)者采用很多手段來進行施工監(jiān)測，但現(xiàn)有的常規(guī)監(jiān)測手段不能做到實時監(jiān)測，尤其是只能進行點式的位移監(jiān)測而不能實現(xiàn)連續(xù)應變、彎矩、不均勻沉降的測量，給項目安全帶來了巨大挑戰(zhàn)。

隨著光纖傳感技術的發(fā)展，分布式光纖傳感器已廣泛應用于許多領域，包括機械、航空航天結(jié)構(gòu)監(jiān)測、邊坡工程等[2]。分布式光纖傳感器具有長距離監(jiān)測范圍、靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)點[3]，可以解決基于離散式傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)的低精度空間分辨率問題[4]?；诜植际焦饫w傳感器的優(yōu)點，近年來被大量用于工程監(jiān)測方面。Mohamad等[5]采用BOTDR分布式應變傳感技術監(jiān)測在一個新建隧道下方的已有隧道結(jié)構(gòu)性能，結(jié)果表明基于BOTDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)可實時監(jiān)測隧道應變曲線及局部損傷情況。Klar等[6]通過在地下0.5 m處布設水平分布式光纖，提出一種基于BOTDA分布式應變光纖傳感器監(jiān)測隧道引起的地表沉降的方法，監(jiān)測不同埋地深度隧道對地表沉降的影響。丁勇等[7]利用BOTDA分布式光纖傳感技術監(jiān)測地下連續(xù)墻的受力變形過程。毛江鴻[8]將BOTDA技術應用于結(jié)構(gòu)應變和開裂監(jiān)測中的關鍵技術，進行了分布式光纖監(jiān)測結(jié)構(gòu)開裂的試驗研究。遲延光等[9]針對長距離地下油氣管道因地質(zhì)沉降導致管道應力破壞的問題，提出了基于BOTDR原理的分布式光纖應變檢測方法。趙亞等[10]利用基于拉曼散射和光時域反射技術相結(jié)合的分布式光纖測溫系統(tǒng)，對自來水管道進行泄漏檢測和定位實驗研究。

目前，分布式光纖在工程中應用越來越廣泛，但存在的問題也引起了工程技術人員的注意。尤其是在復雜的混凝土施工環(huán)境下，分布式光纖封裝保護問題最為突出[11]。封裝保護厚度不夠，容易造成光纖的損壞；然而封裝保護過厚，也會引起應變傳遞不精確的問題。本文基于國家自然科學基金重點項目一部分研究內(nèi)容，利用PPP-BOTDA原理的分布式光纖傳感器，開展室內(nèi)物理仿真試驗，對裸光纖、緊套光纖、蝶形光纖這三種不同封裝方式的分布式光纖進行應變傳遞對比研究，獲得其應變傳遞系數(shù)，為實際工程應用提供參考和借鑒。

1 BOTDA技術基本原理

1.1 傳統(tǒng)BOTDA原理

基于自發(fā)布里淵散射的BOTDR技術，擁有單端傳感測量的優(yōu)點，但由于自發(fā)布里淵散射光較微弱，檢測比較困難，傳感器性能受到很大的制約。而基于受激布里淵散射的BOTDA技術，檢測信號強度較大，因此傳感器的測量精度和傳感距離可以得到有效改善。

BOTDA的工作原理如圖1所示。BOTDA工作原理就是在光纖兩端輸入脈沖光和連續(xù)光，連續(xù)調(diào)諧兩束光的頻差。當這兩束光的頻差等于該出布里淵頻移時，使得布里淵散射增益值最大。通過檢測傳感光纖中布里淵頻移的變化量，并根據(jù)其與應變、溫度之間的關系，從而實現(xiàn)應變和溫度的分布式測量。

圖1 BOTDA工作原理示意

1.2 PPP-BOTDA原理

傳統(tǒng)的BOTDA技術測量精度較低，主要是由于空間分辨率過低。減小脈沖光的寬度能使得空間分辨率提高，但相對的會造成峰值信號減弱和布里淵增益譜展寬。PPP-BOTDA技術是在傳統(tǒng)BOTDA技術上進行了改進，其工作原理主要是在輸入脈沖光之前，加入一定的脈沖預泵浦光，以此來激發(fā)聲子，并且調(diào)節(jié)好脈沖光和脈沖預泵浦光之間的功率比，降低多余的輸出功率，如式(1)所示。

(1)

式中：RP為消光系數(shù)；CP為脈沖光功率；AP+CP為脈沖預泵浦光功率。

這種原理極大地提高了空間分辨率，進而增加測量的精度。本文所使用的NBX-6050型光納儀就是采用PPP-BOTDA技術，該型光納儀利用獨創(chuàng)的脈沖預泵浦技術，突破以往的技術界限，使得空間分辨率達到10 cm，應變精度為±7.5 με。NBX-6050型光納儀在監(jiān)測的精度和性能方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的監(jiān)測手段，這種新型的光纖傳感系統(tǒng)應用于土木工程的諸多領域，如橋梁工程、隧道工程、大型鋼結(jié)構(gòu)等的健康監(jiān)測。其儀器及工作原理如圖2所示。

圖2 NBX-6050型光納儀及PPP-BOTDA工作原理

2 應變傳遞系數(shù)

光纖主要是玻璃纖維材料，這種材料抗剪能力比較差，在使用光纖過程中需要進行保護，而保護所采用的材料與纖芯材料會給應變傳遞帶來影響。Ansari等[12]在短纖維復合材料剪滯原理上，重新推導了光纖應變傳遞系數(shù)的公式，并通過試驗對公式進行了驗證，推動了光纖應變傳遞系數(shù)理論的發(fā)展。

其理論基本假設為：光纖、涂覆層和基體結(jié)構(gòu)均為線彈性材料，各材料之間無相對滑移，且在光纖標距中點處應變相等；纖芯和包層材料相同，機械性質(zhì)相同；光纖不承受外力荷載，涂覆層僅承受剪切應力，基體結(jié)構(gòu)只承受平行于光纖軸向的正應力。

從上述理論假設推出光纖纖芯應變與基體結(jié)構(gòu)應力之間的關系為：

(2)

(3)

光纖傳感器的平均應變傳遞系數(shù)為：

(4)

式中：εg為光纖纖芯應變；σm，Em為基體結(jié)構(gòu)的應力及彈性模量；x為光纖傳感器上的點到傳感器端點的距離；L為光纖長度；GP為涂覆層的剪切模量；Eg為光纖模量；rm為涂覆層直徑；rg為光纖直徑。

毛江鴻等[13]根據(jù)多中間層剪滯理論，在此基礎上進一步研究，得到光纖與基體之間的應變傳遞公式：

(5)

式中：εf(x)為纖芯應變；εm為基體應變。

3 試驗研究

3.1 試驗設計

根據(jù)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》[14]中的相關規(guī)定，設計六根鋼筋混凝土簡支梁，其截面尺寸為150 mm×250 mm，長為1800 mm，混凝土強度為C30。受拉區(qū)設置2根直徑為16 mm的HRB400鋼筋，受壓區(qū)設置2根直徑為8 mm的HRB400鋼筋，箍筋設置為直徑8 mm、間距200 mm的HRB400鋼筋。

將裸光纖(帶涂覆層的光纖)、緊套光纖、蝶形光纖分別采用埋入式和粘貼式布置到簡支梁試件中，每種封裝方式的光纖布置2根梁，其封裝如圖3所示。在混凝土內(nèi)部，主要布置在鋼筋的受拉區(qū)和受壓區(qū)，上下鋼筋的兩條光纖保有2 m長的自由段光纖。三種光纖除封裝方式不同外，其內(nèi)部光纖材料都相同，具體材料參數(shù)如表1所示。

圖3 各封裝方式光纖

表1 內(nèi)部光纖材料參數(shù)

粘貼時，先將光纖拉直，再進行局部定位固定，然后涂上環(huán)氧樹脂，待24 h后環(huán)氧樹脂固化，在鋼筋上裹上一層紗布，使鋼筋上的所有光纖都處在布條的保護中，防止混凝土澆筑振搗過程中破壞光纖。同時，在受拉側(cè)鋼筋上表面和受壓側(cè)鋼筋的下表面各布置了7 個精度較高的電阻應變片，如圖4 所示。在混凝土外部，將三種封裝方式的分布式光纖分別粘貼于混凝土梁底部，粘貼長度為1 m，并在相應位置粘貼5個混凝土應變片。

圖4 鋼筋上應變片粘貼方式/mm

3.2 試驗方法

根據(jù)GB/T 50152-2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》[15]，對6根試件進行四分點簡支梁試驗，在兩個三分點處施以等大的集中力，使梁的中間段受力呈現(xiàn)純彎矩效果，兩邊則呈現(xiàn)具有等應變梯度受力效果(圖5)。實驗采用大連理工大學海動國家重點實驗室結(jié)構(gòu)大廳的液壓式壓力試壓機YES-500，對簡支梁進行集中荷載施加，每級加載速度控制為10 kN/min，并持載10 min，共分為7個荷載等級，即分別施加10，30，60，90，120，150，162 kN，直到梁發(fā)生破壞為止。在持載時間段，使用日本Neubrex公司生產(chǎn)的NBX-6050光納儀采集分布式光纖數(shù)據(jù)，光納儀的采集參數(shù)設置如表2所示。采用德國進口的IMC應變采集儀，采集電阻應變片數(shù)據(jù)。IMC擁有64個數(shù)據(jù)采集通道，精度優(yōu)于0.1%；且每個通道都可用來測量電壓、電流、應力應變、位移，每個通道有獨立16位A/D，其采集頻率為50 Hz。

表2 光納儀參數(shù)設置

圖5 試驗數(shù)據(jù)采集、試驗加載及梁破壞

4 試驗結(jié)果

4.1 分布式光纖與應變片結(jié)果對比

分布式光纖監(jiān)測結(jié)果比應變片監(jiān)測結(jié)果更能描繪簡支梁整體應變變化過程。如圖6所示，應變片只能采集布置好點位置處的應變，這樣很難精確地看出整體應變的變化趨勢，而分布式光纖能夠沿著布設的線路采集應變，可以較為精準地呈現(xiàn)出應變變化的趨勢。

圖6 分布式光纖和應變片數(shù)據(jù)對比

分布式光纖能夠克服電阻應變片容易損壞的短板，這點顯著表現(xiàn)在混凝土受拉區(qū)。在混凝土受拉區(qū)，分布式光纖至少能夠采集到120 kN作用下的應變，而電阻應變片在90 kN荷載作用下就已經(jīng)出現(xiàn)損壞。

從應變采集呈現(xiàn)的變化趨勢，以及抗損壞能力這兩個方面，可以看出分布式光纖用于監(jiān)測優(yōu)于電阻應變片。

4.2 應變傳遞對比

試驗關于應變傳遞研究主要包括鋼筋受拉區(qū)應變傳遞對比、鋼筋受壓區(qū)應變傳遞對比、混凝土受拉區(qū)應變傳遞對比以及不同粘貼方式應變傳遞對比。應變傳遞系數(shù)為纖芯應變與基體應變的比值，由于鋼筋混凝土簡支梁體積較大，破壞過程涉及彈塑性，很難精準掌握其基體應變。本文參考電阻應變片測量值作為基體應變，與其做對比的理論值是由毛江鴻等[13]提出的分布式光纖應變傳遞公式得到。

4.2.1 鋼筋受拉區(qū)應變傳遞對比

圖7～9是三種不同封裝方式的分布式光纖，其所在的鋼筋受拉區(qū)在不同荷載作用下的應變傳遞系數(shù)分布。從圖7可以看出，裸光纖應變傳遞系數(shù)隨著作用荷載不斷增加而增加，尤其兩端表現(xiàn)最為明顯。這可能由于簡支梁破壞荷載較大，隨著荷載增大，應變采集越來越精準。裸光纖中間的應變傳遞系數(shù)比較穩(wěn)定，其值在0.935左右，較為接近理論值。從圖8可以看出，緊套光纖應變傳遞系數(shù)規(guī)律和裸光纖相同，其中間的應變傳遞系數(shù)在0.929左右。從圖9可以看出，蝶形光纖應變傳遞系數(shù)波動較大，因為蝶形光纖封裝較厚，在鋼筋上受混凝土骨料擠壓，應變測量不夠精準。隨著荷載的增加，應變傳遞系數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢，但是應變傳遞系數(shù)整體偏小，其中間應變傳遞系數(shù)在0.527左右。

圖7 裸光纖應變傳遞系數(shù)

圖8 緊套光纖應變傳遞系數(shù)

圖9 蝶形光纖應變傳遞系數(shù)

從應變傳遞效果來看，裸光纖的傳遞效果最好，蝶形光纖傳遞效果最差，各光纖中間應變傳遞效果比兩邊應變傳遞效果好；從封裝保護效果來看，蝶形光纖保護最好，能夠一直采集到162 kN荷載作用，其次為緊套光纖，裸光纖較差，120 kN以后就發(fā)生損壞。

4.2.2 鋼筋受壓區(qū)應變傳遞對比

圖10～12是三種不同封裝方式的分布式光纖，其所在的鋼筋受壓區(qū)在不同荷載作用下的應變傳遞系數(shù)分布。從圖中發(fā)現(xiàn)，裸光纖和緊套光纖在10 kN荷載下，應變傳遞系數(shù)波動較大，這是由于光纖應變測試值階躍性較大。盡管NBX-6050光納儀精度較高，但是在這種小應變的作用下，高空間的分辨率對其測量值的穩(wěn)定性還是有一定的影響。裸光纖整體規(guī)律與前面一致，其中間應變傳遞系數(shù)在0.91左右。緊套光纖應變傳遞系數(shù)整體分為兩個部分，在30～60 kN作用時，中間應變傳遞系數(shù)在0.865左右；在90～120 kN作用時，中間應變傳遞系數(shù)在0.916左右。從圖12可以看出蝶形光纖波動較大，這是由于粘貼分布式光纖時，為了避開箍筋的干擾，在受壓區(qū)粘貼的光纖都布置在鋼筋下方，蝶形光纖自身封裝較厚可能出現(xiàn)滑移，導致測量數(shù)值不精準。從鋼筋受壓區(qū)和受拉區(qū)應變傳遞對比來看，鋼筋受壓區(qū)得到的應變傳遞系數(shù)比受拉區(qū)應變系數(shù)小，說明應變傳遞系數(shù)與粘貼長度也有一定的關系[16]。

圖10 裸光纖應變傳遞系數(shù)

圖11 緊套光纖應變傳遞系數(shù)

圖12 蝶形光纖應變傳遞系數(shù)

4.2.3 混凝土受拉區(qū)應變傳遞對比

圖13～15是裸光纖、緊套光纖、蝶形光纖三種不同封裝方式的分布式光纖，其所在的混凝土受拉區(qū)在不同荷載作用下的應變傳遞系數(shù)分布。從圖中看出，三種封裝方式的分布式光纖應變傳遞只進行到了60 kN作用下，這是由于梁加載到90 kN時，底端粘貼的應變片已經(jīng)發(fā)生破壞。而裸光纖可繼續(xù)采集到120 kN作用下的應變值，緊套光纖和蝶形光纖均可以采集到150 kN作用下的應變值。與在鋼筋上布設規(guī)律不同的是，三種分布式光纖剛開始作用時，其中間應變傳遞系數(shù)就已經(jīng)穩(wěn)定了。裸光纖在0.867左右，緊套光纖在0.761左右，蝶形光纖在0.534左右，而且蝶形光纖比布設在鋼筋上效果好。但是總體來看，混凝土上布設的分布光纖的應變傳遞系數(shù)較鋼筋上布設的小。

圖13 裸光纖應變傳遞系數(shù)

圖14 緊套光纖應變傳遞系數(shù)

圖15 蝶形光纖應變傳遞系數(shù)

4.2.4 不同粘貼方式應變傳遞對比

進行埋入式和粘貼式兩種方式應變傳遞對比，選取鋼筋測點位置0.94 m處和混凝土測點位置0.9 m處，即進行同一位置，不同荷載作用下應變傳遞系數(shù)的變化比較。圖16在鋼筋布設中，裸光纖和緊套光纖都隨著荷載增加，應變傳遞系數(shù)不斷向1靠近，裸光纖在60 kN荷載作用之后其應變傳遞系數(shù)變化穩(wěn)定。蝶形光纖在10 kN和162 kN作用時應變傳遞系數(shù)變化波動較大，而且總體應變傳遞系數(shù)較小，都在0.7以下。從圖17中可以看出，在混凝土表面布設，三種分布式光纖應變傳遞系數(shù)都比較穩(wěn)定，且隨著荷載的增加，應變系數(shù)逐漸增大并趨于穩(wěn)定。

圖16 埋入式應變傳遞系數(shù)

圖17 粘貼式應變傳遞系數(shù)

5 結(jié) 論

文章基于PPP-BOTDA分布式光纖傳感技術，將裸光纖、緊套光纖、蝶形光纖分別采用埋入式和粘貼式布置到鋼筋混凝土簡支梁中，并在相應位置布置電阻應變片，進行簡支梁加載試驗，采集分布式光纖和電阻應變片應變值，比較各封裝方式的分布式光纖應變傳遞，得到以下結(jié)論：

(1)分布式光纖傳感器的封裝厚度、粘貼方式、粘貼長度都會影響其應變傳遞的精確性；

(2)對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，隨著荷載的不斷增加，埋入式布貼方式比粘貼式布貼方式應變傳遞系數(shù)更準確；

(3)分布式光纖比起電阻應變片有較大的優(yōu)勢，尤其在結(jié)構(gòu)荷載不斷增大的情況下，克服電阻應變片容易損壞的短板，能適應較大應變的工程測量；

(4)分布式光纖隨著布設長度以及作用荷載的不斷增加，兩邊應變傳遞有損耗，中間部位能夠接近理論值。