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分布式光纤传感在混凝​​土梁荷载试验
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分布式光纤传感在混凝​​土梁荷载试验

分类： 博客Blogs 发布日期：
根据传感器的应用方法、传感器的位置以及所使用的传感技术，可以从光纤应变测量中得出不同的结果，特别是在由混凝土组成的非均匀结构中（参见图4）。为了以适当的方式了解传感器的行为，使用几种传感器类型和安装技术对许多混凝土梁进行了检测，例如沿梁的钢筋粘合 FiMT 或紧缓冲光纤、沿钢筋在混凝土内部安装传感电缆或沿表面粘合紧缓冲光纤。在垂直和双轴加载测试期间，使用基于瑞利和布里渊散射的 DFOS 传感单元以及准分布式光纤布拉格光栅 (FBG) 询问器对安装进行监控。
例如，图1展示了一个总长度为4.6米的仪表梁结构及其在测试设施上的相应设置的示意图。该试验采用四点加载试验，其中加载点分别偏离中心250毫米。除了沿着受压和受拉钢筋安装在两个独立平面上的光纤传感电缆外，还使用线性可变差动传感器(LVDT)在六个选定位置捕捉结构的位移。

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图1 实验室梁测试：（a）梁结构示意图（尺寸以毫米为单位）。（b）安装在测试设备上的仪表混凝土梁。



不同传感器安装技术的评估

在本文介绍的第一次梁载荷试验中，目的是评估三种不同的传感器应用方法不仅对 DFOS 测量结果的影响，而且对得出的位移曲线的影响。图 2 a–c 描绘了 OBR 询问单元沿顶部和底部传感层测得的应变曲线，空间分辨率为 10 mm，选定的载荷步骤从 100 到 400 kN（图2c 中只有三个载荷步骤，因为纤维断裂）。应变曲线沿两层呈现不对称行为，这可以通过与梁顶部相比底部钢筋数量不同且程度较低来解释。此外，结果很大程度上取决于传感器位置以及连接技术。例如，沿着钢筋粘合的紧缓冲纤维进行的测量（图 2a）显示出平滑的应变曲线，几乎没有不规则性，而沿表面粘合的相同纤维类型（图 2c）则表现出具有众多应变最大值的异质行为。这些应变峰值可能与裂缝有关，裂缝会随着荷载的增加而沿混凝土表面出现。然而，通过应用适当的低通滤波技术，例如移动平均 (MAV) 滤波器（此处：滤波器长度为 1 米）或多项式滤波器（此处：四次多项式），可以证明不同的传感器响应是相同的结构行为的基础。这表明，即使各个传感器的输出本身存在本质差异，基于应变的形状传感方法也是适用的。这些知识也使得在实际应用中，即使传感器无法在施工期间安装，也可以进行后续安装。
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图 2. 不同安装技术的分析：( a ) 沿钢筋的应变曲线（紧套光纤、胶水）。( b ) 混凝土内部的应变曲线（BRUsens V3、扎带）。( c ) 沿表面的应变曲线（紧套光纤、胶水）。( d ) 根据 DFOS 应变和理论模型得出的曲率值。( e ) 根据 DFOS 应变计算出的位移曲线，由 LVDT 和理论模型测量。


通过将不同安装技术（此处：MAV 滤波）的应变传感层关联起来，可以得出沿梁的曲率轮廓（图 2 d），这些轮廓彼此吻合良好，也与理论模型吻合良好，特别是在负载达到 200 kN 时，也可以很好地识别 4 点负载设置的形状。根据测试设置，可以假设梁的每一侧（距中心 1850 毫米）的支撑点是稳定的，以评估图2 e 中所示的沿梁的分布位移曲线。结果基本上证实了曲率轮廓与负载达到 200 kN 的 LVDT 传感器具有良好的一致性。在更高的负载步骤下，不同安装技术的位移曲线自身匹配，但会出现明显的偏差，与理论模型为负，与 LVDT 为正。这导致了这样的假设：混凝土梁不能满足伯努利一致横截面轮廓假设。这就是为什么基于应变的形状确定算法无法捕捉结构出现重大裂缝后的实际位移行为。
尽管如此，与 LVDT 传感器相比，理论模型描述的位移也明显较小，甚至幅度低于 DFOS 推导。为了更详细地研究这种显著的行为，还在梁的受压和受拉钢筋的不同层中安装了两条相应的传感光纤，这样就可以分析钢筋横截面轮廓内的变形行为，而无需考虑混凝土的改变效应。图 3a显示了在梁出现严重开裂之前和之后，沿受拉钢筋的两个仪表层测得的应变曲线。在 200 kN 的载荷步骤下，应变分布表现出类似的行为，由于结构的垂直载荷，中间区域略有偏移。然而，随着载荷的增加，不仅层间应变偏移增加，而且在 1.0 到 1.5 m 之间的区域内也出现了明显的弯曲。这种弯曲效应是由一个大的剪切裂缝引起的，该裂缝是由于施加的垂直载荷和梁右侧较低的钢筋程度引起的（参见图 1）。测量数据表明，该裂纹导致梁在垂直方向上局部屈曲。无论是理论梁模型还是基于应变的梁不同平面的DFOS推导都无法涵盖这种影响。文献[ 56 ]已经得出了关于剪切开裂影响的类似结论。图3b中导出的位移曲线表明，当对每个增强层单独进行测定时，即使在更高的载荷步长下，也可以可靠地捕捉到由LVDT测量值表示的梁的实际变形行为。
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