fbg傳感技術(shù)在預(yù)制樁高應(yīng)變檢測中的應(yīng)用研究

1、<p>　　FBG傳感技術(shù)在預(yù)制樁高應(yīng)變檢測中的應(yīng)用研究</p><p>　　【摘要】目前在樁基、橋梁等應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測和檢測領(lǐng)域中，F(xiàn)BG因其具有精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為一種新的先進(jìn)監(jiān)測、檢測手段，本文介紹了FBG傳感技術(shù)測試原理和預(yù)制樁光纖光柵的植入工藝，并結(jié)合具體的工程實(shí)例，將傳統(tǒng)的高應(yīng)變檢測的應(yīng)變數(shù)據(jù)與FBG應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比研究，結(jié)果表明：FBG傳感測量

2、數(shù)據(jù)能較好地適用于高應(yīng)變檢測。 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】 FBG；高應(yīng)變；樁基檢測；預(yù)制樁 </p><p>　　【中圖分類號】TU196+.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 B </p><p>　　Study on high strain detection of precast pile using FBG sensing technology </p>

3、<p>　　Qiu Zhenhong </p><p>　　(Shanghai jiangnan architectural design institute co,. ltd ShangHai 201800) </p><p>　　【Abstract】 FBG which has the advantage of high precision, strong ability

4、 of anti-electromagnetic, strong adaptive capacity to environment, long service life, etc has become a new advanced detection way in the field of pile foundation and bridge. This paper introduces the measure principle of

5、 FBG sensing technology and the implantation process of fiber grating into precast pile. Combined with the specific project, the traditional high strain data and FBG strain data is compared. The results showe</p>

6、<p>　　【Keywords】 FBG; high strain; detection of pile foundation; precast pile </p><p><b>　　0 引言 </b></p><p>　　樁基檢測中高應(yīng)變檢測是一項(xiàng)重要檢測內(nèi)容，通過分析應(yīng)力應(yīng)變隨樁身變化情況分析樁身完整性和樁的承載性狀[1-2]。由于采用高應(yīng)變進(jìn)行承載力

7、檢測具有工期短、成本低、效率高等特點(diǎn)，促進(jìn)了高應(yīng)變檢測法的推廣，但是高應(yīng)變檢測的精度很大程度上與測試傳感器有關(guān)。傳統(tǒng)的電阻式、鋼弦式、電感式傳感器普遍存在靈敏度差、精度低、抗電磁干擾能力弱，受水腐蝕失真或失效等缺點(diǎn)，難以適應(yīng)現(xiàn)代工程精確檢測的要求。而近年來興起的光纖光柵傳感器則具有精度高、抗電磁干擾、防水防潮、抗腐蝕和耐久性長等特點(diǎn)[3-6]，其體積小、重量輕，便于鋪設(shè)安裝，且不存與監(jiān)測對象不匹配的問題，對監(jiān)測對象的材料性能和力學(xué)參數(shù)等

8、影響較小。另外，光纖光柵傳感技術(shù)采用光纖進(jìn)行信號傳輸，傳輸損耗小，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號傳輸，正好彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測技術(shù)的不足。本文結(jié)合具體的工程實(shí)例，將FBG傳感器植入檢測的預(yù)制樁中，同時(shí)采集傳統(tǒng) </p><p>　　的高應(yīng)變檢測應(yīng)變數(shù)據(jù)和FBG應(yīng)變數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對比研究。結(jié)果表明：FBG測量數(shù)據(jù)可靠，具有較好的適用性。 </p><p>　　1 FBG傳感技術(shù)測量原理 </p>

9、<p>　　光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating,簡稱FBG）是利用光纖材料的光敏性在纖芯內(nèi)形成空間相位,光柵其作用的實(shí)質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾波器或反射鏡，使得光在其中的傳播行為得以改變和控制[7]。 </p><p>　　圖1 光纖光柵傳感器的構(gòu)造 </p><p>　　如圖1所示，F(xiàn)BG傳感器分布在光纖纖芯的一小段范圍內(nèi)，它的折射率沿光纖軸線發(fā)生周期性

10、變 </p><p>　　作者簡介：邱正紅，1982年出生，男，漢族，重慶潼南縣人，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，主要從事巖土工程勘察和基坑設(shè)計(jì)工作。E-mail：qzh@live.it </p><p>　　化，圖中纖芯的明暗變化代表了折射率的周期變化。光纖布拉格光柵是光纖纖芯折射率沿光纖軸向呈周期性變化的一種光柵。目前已有的基于光纖布拉格光柵的各種傳感器的工作原理都可以歸結(jié)為對布拉格光柵中心波

11、長的測量[8-9]，即通過對由外界擾動引起的布拉格光柵中心波長漂移量的測量，得到被測參數(shù)；布拉格光柵中心波長與光纖纖芯有效折射率以及光纖光柵長度周期Λ相關(guān)[10]即： </p><p><b>　　(1) </b></p><p>　　其中：為布喇格光柵的中心波長；為光纖纖芯的有效折射率；為布喇格傳感器光柵的柵距。 </p><p>　　圖2F

12、BG傳感器工作原理圖 </p><p>　　顯然，寬帶光源的輸入光譜在通過FBG傳感器1后，形成了波谷峰值為的凹陷，而反射光譜則具有波峰。當(dāng)光柵所在處的光纖產(chǎn)生軸向應(yīng)變時(shí)，柵距變?yōu)椋?</p><p><b>　　(2) </b></p><p>　　此時(shí)布喇格波長產(chǎn)生相應(yīng)的變化，它滿足： </p><p><b&

13、gt;　　(3) </b></p><p>　　其中：為有效光彈系數(shù),它的值約為0.22。 </p><p>　　另外，溫度變化會引起光纖折射率的變化，同時(shí)也會引起柵距的變化，當(dāng)溫度變化為時(shí)，將引起布拉格波長產(chǎn)生移動，可以表示為： </p><p><b>　　(4) </b></p><p>　　其中：為光

14、纖的熱膨脹系數(shù)，；為光纖的熱光系數(shù)，。 </p><p>　　由(3)、(4)兩式得到同時(shí)考慮應(yīng)變與溫度變化時(shí)，所引起的波長移動： </p><p><b>　　(5) </b></p><p>　　由此可知，只要測出布喇格波長的變化，就可以得到外界的應(yīng)變或溫度擾動。 </p><p>　　2 預(yù)制樁FBG植入工藝 &l

15、t;/p><p>　　預(yù)制樁一般是在工廠制作而成的，特別是預(yù)應(yīng)力預(yù)制樁是在預(yù)制廠經(jīng)過先張預(yù)應(yīng)力，離心成型及高壓蒸養(yǎng)等工藝生產(chǎn)而成的高強(qiáng)預(yù)制混凝土構(gòu)件[11]，無法將光纖光柵澆注到其中。在打樁的過程中，由于預(yù)制樁管壁與土體的摩擦力很大，將光纖光柵貼在預(yù)制樁表面時(shí)，很容易造成打樁時(shí)光纖光柵被刮斷[12]。本文采用在預(yù)制樁表面刻槽后放入光纖光柵再用高強(qiáng)度膠進(jìn)行密封，這樣既成能保證光纖光柵的成活率，又能保證光纖光柵與預(yù)裝樁身

16、變形的一致性。預(yù)制樁的FBG植入工藝主要包括以下四個(gè)工序。 </p><p><b>　?。?）光纖熔接 </b></p><p>　　在FBG傳感技術(shù)測量中，光纖只是進(jìn)行光信號的傳輸，真正起到測量作用的是光柵的那部分。所以要根據(jù)樁長截取相應(yīng)長度的傳輸光纖與FBG傳感器進(jìn)行熔接。 </p><p><b>　?。?）刻槽布纖 <

17、/b></p><p>　　用開槽機(jī)在預(yù)制樁身表面沿著布纖路線刻槽，槽寬和槽深以能放入光纖為準(zhǔn)(太深容易破壞樁身強(qiáng)度)，光纖放入槽內(nèi)用502膠水進(jìn)行定點(diǎn)固定，刻槽布纖如圖3所示。 </p><p><b>　　圖3 刻槽布纖 </b></p><p><b>　　（3）光纖保護(hù) </b></p><

18、;p>　　用高強(qiáng)膠（環(huán)氧樹脂）填充槽內(nèi)進(jìn)行光柵粘貼和光纖線路保護(hù)，在樁端出露的光纖用套管進(jìn)行保護(hù)，將多余的光纖盤繞在樁頭并用緩沖材料進(jìn)行包裹保護(hù)，光纖保護(hù)如圖4所示。 </p><p><b>　　圖4 線路保護(hù) </b></p><p><b>　?。?）打樁對接 </b></p><p>　　將布好光纖的樁按順序

19、進(jìn)行打入，在樁對接時(shí)進(jìn)行上下兩樁光纖的對接，并將多余光纖盤繞在接頭地方進(jìn)行強(qiáng)化處理，打樁對接如圖5所示。 </p><p><b>　　圖5 打樁對接 </b></p><p><b>　　3 工程實(shí)例 </b></p><p><b>　　3.1 工程背景 </b></p><p

20、>　　嘉定區(qū)城北大型經(jīng)濟(jì)適用房（南塊）位于上海市嘉定區(qū)，住宅樓和配套商業(yè)擬采用樁基礎(chǔ)，地下車庫、地下P型站和地下水泵房擬采用抗拔樁。工程主要負(fù)責(zé)樁基設(shè)計(jì)參數(shù)可行性研究工作。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，結(jié)合勘察資料，進(jìn)行現(xiàn)場原位測試，包括：模型樁單樁豎向抗壓、單樁豎向抗拔靜載，錘擊樁高應(yīng)變跟蹤監(jiān)測及樁身應(yīng)力分析，獲得各層土設(shè)計(jì)參數(shù)。 </p><p><b>　　3.2 測試方法 </b></p

21、><p>　　本文主要研究該工程中管樁（管樁樁長13.0m，內(nèi)徑0.22m，外徑0.4m）的高應(yīng)變檢測。通過光纖光柵測得應(yīng)變數(shù)據(jù)分別與高應(yīng)變測樁儀導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。樁身應(yīng)力測量采用光纖光柵應(yīng)變傳感器。光纖光柵應(yīng)變傳感器布設(shè)：在樁頂以下1m處（-1m)布設(shè)一個(gè)；在土層交界處6.5m處（-6.5m)布設(shè)1個(gè)，在樁底以上50cm處（-12.5m)布設(shè)1個(gè)，F(xiàn)BG傳感器布設(shè)如圖6所示。 </p><p&g

22、t;　　圖6 FBG傳感器布設(shè)圖 </p><p>　　高應(yīng)變初打跟蹤監(jiān)測試驗(yàn)按照《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106-2003）進(jìn)行，測試方法見圖7。 </p><p>　　圖7 高應(yīng)變測試圖 </p><p>　　3.3 檢測數(shù)據(jù)分析 </p><p>　　本文選取了一根測試樁，對樁的錘擊高應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過預(yù)埋在樁身上的光纖光柵

23、測得應(yīng)變數(shù)據(jù)分別與高應(yīng)變測樁儀輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行對比研究，F(xiàn)BG傳感器測試出的數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。曲線中第一個(gè)峰值的出現(xiàn)表示在擊打過程中樁身產(chǎn)生的最大應(yīng)變，其余峰值是由于擊打過程中余震產(chǎn)生。圖形顯示在-1m處峰值最高，其次-6.5m處，-12.5m處峰值最小。這表明：在被擊打過程中，離測試樁由樁頂至樁底，樁身應(yīng)變逐漸減小，在樁頂處會產(chǎn)生最大應(yīng)變，所以在錘擊過程中要加強(qiáng)對樁頂?shù)谋Ｗo(hù)。 </p><p>　　圖8高應(yīng)變時(shí)光

24、纖測得應(yīng)變曲線圖 </p><p>　　由于-1m處安裝的FBG傳感器與高應(yīng)變檢測中的應(yīng)變片安裝位置接近（檢測傳感器的安裝用膨脹螺栓安裝在距樁頂約2倍樁徑處），將-1m處的FBG測試數(shù)據(jù)與應(yīng)變片的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，光纖應(yīng)變曲線與高應(yīng)變儀導(dǎo)出應(yīng)變曲線對比圖如圖9所示。從圖9中可以看出，兩者的曲線較為吻合，這說明FBG傳感技術(shù)適用于高應(yīng)變檢測。 </p><p>　　圖9 高應(yīng)變時(shí)光纖曲線與高應(yīng)

25、變儀導(dǎo)出曲線對比圖 </p><p><b>　　4 結(jié)論 </b></p><p>　?。?）本文將FBG傳感監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于樁基檢測中，將光纖光柵測得應(yīng)變數(shù)據(jù)與高應(yīng)變測樁儀輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行比較研究。結(jié)果表明：FBG傳感數(shù)據(jù)能較好地適用于高應(yīng)變檢測，但也存在不足，由于高應(yīng)變檢測同時(shí)需要應(yīng)變數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)，而此次測試只采集了樁身FBG應(yīng)變數(shù)據(jù)，如果在樁身相應(yīng)的位置能安裝F

26、BG加速度傳感，同時(shí)采集FBG應(yīng)變和加速度數(shù)據(jù)，擬合樁基的承載力與傳統(tǒng)高應(yīng)變測樁儀測出的樁基承載力進(jìn)行對比，將是本論文需要深入研究的一個(gè)方向。 </p><p>　　（2）FBG傳感器可以安裝在樁體的任何位置，如果將FBG傳感技術(shù)運(yùn)用于高應(yīng)變檢測中，就可以 </p><p>　　測得樁體任何位置的應(yīng)變，而不僅僅局限于樁頂附近。 </p><p>　?。?）檢測數(shù)據(jù)的

27、精確度不但與測試方法有關(guān)，還與傳感器的性能有關(guān)，F(xiàn)BG傳感器正是由于其高精度、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)得到了工程界廣泛的關(guān)注。但是，由于其比較高的價(jià)格也限制著它的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)BG傳感技術(shù)將會得到廣泛發(fā)展。 </p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 劉萬恩，蔡克儉，夏結(jié)祥． 海上超長大管樁的高應(yīng)變動力檢測[J]．

28、施工技術(shù)，2006增刊，249-252． </p><p>　　[2] 時(shí)猛． 東營市預(yù)應(yīng)力管樁高應(yīng)變動力檢測的豎向承載力計(jì)算[D]．中國石油大學(xué)（東華），2008． </p><p>　　[3] 田德寶，張大煦，孫俊良，等． 光纖布拉格光柵應(yīng)變測量在天津奧體中心工程中的應(yīng)用[J]． 施工技術(shù)，2008， 37(11)：64-66． </p><p>　　[4] 嵇

29、雪蘅，李宏男，任亮，等． 光纖布拉格光柵傳感器在鋼架結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J]．防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2008，28(1)：43-48． </p><p>　　[5] 武勝軍，王宏力，敖紅奎．FBG傳感器在隧道錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2007，12(26)：31-33． </p><p>　　[6] 余小奎．分步式光纖傳感技術(shù)在樁基測試中的應(yīng)用[J]．巖土工程勘

30、測，2006，6：12-16． </p><p>　　[7] 李川，張以謨，等．光纖光柵原理、技術(shù)與傳感應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，2005． </p><p>　　[8] 王惠文．光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2001． </p><p>　　[9] 徐恕宏．傳感器原理及其設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988． </p>

31、<p>　　[10] 李宏男，孫麗，梁德志．光纖布拉格光柵傳感器用于混凝土結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測[J]．建筑材料學(xué)報(bào)，2007，21(3)：342-347． </p><p>　　[11] 阮起楠．預(yù)應(yīng)力混凝土管樁[M]．北京：中國建材工業(yè)出版社，2000． </p><p>　　[12] 魏廣慶，施斌，賈建勛，等．分布式光纖傳感技術(shù)在預(yù)制樁基樁內(nèi)力測試中的應(yīng)用[J]，巖土工程學(xué)報(bào)，20