陆 飞 李爱群 程文瀼 罗青儿

(东南大学混凝土与预应力混凝土教育部重点实验室, 南京 210096)

钢筋与混凝土的黏结滑移性能是研究钢筋混凝土受力性能的重要部分,试验中通常将钢筋沿纵向居中剖开并开槽处理,在槽内粘贴应变片测试钢筋的拉应力及其分布[1]．显然,这种方法工艺复杂,在应变测点较多时测试导线的布置有困难,且对钢筋受力的整体性有一定影响．20世纪90年代出现的布拉格光纤光栅应变测试技术,在钢筋混凝土桥梁、复合材料拉索等结构构件的应变测试中得到了广泛应用[2-7]．然而,普通的Bragg光栅应变传感器一般都进行一定形式的封装[3],通过一定长度的导线将多个光栅串联起来[4]．这种经封装后的光纤光栅传感器直径最小也在3mm以上[2,7],相对于钢筋与混凝土的黏结面来说,体积不再微小;且单个串联回路中Bragg光栅的间距至少在250mm以上[5-6]．显然,普通Bragg光栅传感器不能满足黏结滑移试验中钢筋应变测试时测点密集且对黏结面不影响的要求．本文通过在一个光纤上连续刻制多个Bragg光栅制成的密布型光栅(栅间距为60mm),满足了高应变梯度测试中测点密集的需求．直接将裸光栅粘贴在钢筋纵肋边,由高强度黏结胶体和纵肋来实现对裸栅的保护,去除了常规方法中的封装层,发挥了光纤体积小的优势,且避免了钢筋剖开、开槽等处理工艺．密布的光栅减少了黏结面内测量导线的数量,降低了裸栅对黏结面性能的影响,对钢筋混凝土黏结滑移中钢筋应变的测试非常适用,对于纤维复合材料的表面及层间应变的测试[8]也有很好的参考意义．

1 密布型光栅原理

黏结滑移中钢筋拉应变测试时,因应变梯度较大而要求测点较为密集,又因不能影响黏结面的性能而要求测量导线尽可能少且体积小．

密布型光纤光栅就是根据这一需求,在一根光纤上连续刻制多个不同中心波长的Bragg光栅,且光栅之间的空间间距尽可能小，中心波长尽可能合理分布,使得单根光纤上单位长度范围内可进行测试用的光栅尽可能多．与普通布拉格光栅相比,密布型光栅的间距大为减小,经合理布设后测点更密,且传导用光纤数量很少,裸光栅直接与钢筋粘贴,对黏结面影响也很小,很好地满足了黏结滑移中钢筋拉应变的测试需求．

2 密布型光栅的设计

2.1 空间间距

连续型光栅的空间间距包括栅距、栅长和栅间距离．其中栅距主要由光栅的中心波长决定,两者有如下关系:

λ=2nΛ=2nd

式中,λ为光栅中心波长;n为纤芯有效折射率;Λ为纤芯折射率调制周期,即栅距d．通常光纤的有效折射率约为1.46,应变测试用光栅的中心波长在1550nm左右,对应的栅距d约为0.5μm．

栅长是指光栅变折射率区间的长度,通常根据光栅的反射率决定．而光栅的反射率受折射率的变化幅度、折射率分布形式、光栅长度以及光栅应变影响[9]．折射率变化幅度越大则光栅的反射率越高,折射率的变化幅度与光纤的光敏特性和成栅工艺有关,目前所能实现的折射率的变化幅度为10-5～10-3[10]．光栅折射率分布形式是指纤芯变折射率区间沿光纤轴线方向上的变化形式,通常有均匀分布和非均匀高斯分布2种．与均匀分布相比,非均匀高斯分布光栅的反射光谱带宽较小,这有利于传感测试中光栅中心频率的识别和误差的控制;但其反射率在栅长较短时较小,栅长大于3mm左右时反射率接近于1[9]．考虑到光栅在应变增大时反射率通常会下降[11](见图1),栅长实际取值会大于3mm．

图1 分布式光纤光栅频谱

栅间距离主要由光栅写入工艺决定,目前Bragg光栅的写入工艺主要有全息相干法、相位掩模法和在线写入法等[10],其中相位掩模法应用最为普遍,对光栅中心波长的控制也最好．

本文采用常压载氢的方法对普通通信光纤进行紫外增敏[12],并采用相位掩模法写入折射率呈非均匀高斯分布的Bragg光栅,在单根光纤上制作成光栅间距为60mm、栅长为8mm、由6个波长依次分布的Bragg光栅组成的密布型光栅．

2.2 波长排列

光栅通过对宽带光源中与中心波长频率相同部分的光波的反射,实现单个光路中多个不同中心波长光栅的串联分布式测量,如图1所示．测试中由于光源和谱探测仪的带宽有限,为避免不同光栅在测试中因波长变化后相互接近而造成的影响,相邻波长的光栅之间需预留一定的带宽,因而单个光路中可串联的光栅数量是有限的．为尽可能在单个光路中串入多个光栅,需要对光栅按其初始中心波长和预估的变化趋势进行排列．

以解调仪带宽为40nm为例,若每个光栅的波长变化为2nm,相当于应变值变化约2.5×10-3,当各光栅波长的变化方向不同时,相邻光栅间预留的带宽至少需4nm,对应一个光路中最多可以串联的光栅数为10个;当各光栅波长的变化方向相同时,则只需预留至少2nm带宽,对应串联的光栅数为20个．

因此,在光栅布设时应使得光栅的初始中心波长排列顺序与光栅测点预估的应变方向相同,即初始中心波长最大的光栅应该布设在预估产生拉应变最大的位置,初始中心波长最小的光栅应该布设在预估产生拉应变最小或压应变最大的位置,中间部分则依次布设．

2.3 测试方案

由于光栅写入工艺的限制,单根密布型光栅的最小间距为60mm,为尽可能加密钢筋上的测点,可对多根密布型光栅进行相应布设．如图2所示,将2根栅间距为60mm的密布型光纤光栅交错30mm平行放置,则沿水平方向光栅测点的间距就减小为30mm．以此类推,将3根间距为60mm的密布型光栅交错20mm布设,能得到间距20mm分布的光栅阵列．通过这种方式的布置,可以在传导光纤数量较少的情况下,实现钢筋上更小间距测点的布设．

图2 密布型光栅交错布置图(单位：mm)

3 密布型光栅的布设

3.1 应变传递

纤芯是光栅传感的核心部分,其轴向变形会导致栅距的变化，进而使光栅的中心波长发生改变．光栅通过与钢筋的协调变形来实现对钢筋应变的测试,显然变形从钢筋传递至光栅纤芯的过程中受到中间黏结层、保护层的影响．中间层越多、越厚，中间层材料的剪切模量越低,则应变的传递误差就越大[13],光纤从内而外分别为纤芯、包层、涂覆层,通常在使用相位掩模法写入光栅时会将涂覆层去除,只剩下包层和纤芯部分．包层和纤芯部分主要材料为石英,弹性模量为81GPa[14],截面直径为0.125mm．本文采用环氧树脂将裸光栅直接与钢筋黏结,环氧树脂弹性模量为3GPa,其截面如图3所示．

图3 光栅在钢筋表面的粘贴

将裸光栅的石英层直接通过环氧树脂与钢筋黏结,去除了中间层特别是涂覆层(其弹性模量约为600MPa)对应变传递的影响,提高了应变测试的精度．同时,为尽可能减小石英层与钢筋之间的距离,在粘贴过程中分2次进行环氧树脂的涂设．第1次涂设的环氧层较薄,如图3中的第1层黏结层部分,主要起到黏结和固定光栅的作用;第2次涂设的环氧层较厚,如图3中的第2层黏结层部分,主要起到保护光栅的作用．这种涂设方法避免了光纤在环氧树脂未固化时,因表面张力而浮至树脂表面,导致光栅与钢筋之间黏结层过厚的问题．

3.2 光栅的保护

将光栅按图3所示方式进行黏结后,一方面通过钢筋自身的刚度和强度对光栅起到了一定的保护作用,避免了混凝土浇筑和振捣过程中因整体变形而产生的损坏;另一方面,由于光纤光栅本身直径很小,布设在钢筋纵肋脚部的凹角内,其外部的固化后环氧树脂、钢筋纵肋以及钢筋本身都能作为保护层,防止其局部受剪或受冲击而损坏．经保护后的光栅体积仍然很小,如图4所示,对钢筋与混凝土之间的黏结影响可以忽略．

图4 钢筋表面光栅粘贴实物图

4 试验验证

4.1 试验准备

黏结滑移试件中混凝土的强度等级为C30,尺寸为150mm×150mm×350mm．钢筋直径为20mm,强度等级为HPB335,锚固长度为283mm．锚固段钢筋上按间距30mm共分布了9个光栅,这9个光栅分别由2根间距为60mm的密布型光栅沿钢筋长度方向交错30mm平行布置而成．1根密布型光栅上布设4个测点,另一根布设5个测点,沿横向分别布置在钢筋纵肋两侧,如图5所示．

图5 钢筋混凝土黏结滑移试件(单位：mm)

4.2 试验过程

在MTS液压伺服试验机上以5kN为级差逐级加载至125kN后,钢筋发生屈服但未从混凝土中拔出．逐级记录各级荷载下光栅测点F1～F9的中心波长,经转换后得到各测点对应的应变测试值．

为验证光栅的测试结果,将离混凝土表面7mm的F1测点应变粗略认为是钢筋不受黏结应力的影响而只受拉力作用产生的应变,并将按钢筋弹性模量2.0×105N/mm2、截面面积314.2 mm2计算得到的各级荷载下的应变与之进行对比,发现两者在100kN之前吻合良好,而在100kN之后实测钢筋应变非线性明显加强(见图6)．100kN荷载时钢筋应变为1.659×10-3,经换算应力约为340MPa,与钢筋屈服强度相比十分接近．因此,可认为密布光栅实测应变的结果是可信的．

图6 端部光栅实测与理论应变对比

4.3 试验结果分析

图7为测点F1～F9分别在25,50,80,100,125kN荷载下的应变测试结果．由图可看出,F9测点的应变在最大荷载125kN即钢筋屈服后仍然很小,而F8的应变则达到7.74×10-4．因此,可认为该钢筋的锚固长度小于F9测点处的深度,即249mm．

图7 各级荷载下光栅测点应变空间分布

图8为加载过程中测点F1,F2,F5,F7,F8,F9的应变测试结果．由图可看出,随着钢筋端拉力的增大,锚固区域内钢筋的应变由浅至深依次增大,直至外部钢筋屈服．其中F1,F2,F5测点的应变均大于屈服应变,而F9测点的应变则增大不明显．

图8 各级荷载下不同深度光栅测点应变

由以上试验结果可看出,密布型光纤光栅在试验全过程直至外部钢筋发生屈服后,均未发生损坏,且能很好地工作．所有测点的应变测试结果很好地反映了黏结滑移试验中钢筋拉应力的分布．试验结果验证了密布型光纤光栅在钢筋黏结滑移试验中应用的可行性,也展示了这种测试方法的便捷性和先进性．

5 结论

1) 密布型光纤光栅能够实现单根光纤上最小间距60mm的多个光栅按中心波长依次分布．

2) 交错布置多个密布型光栅,能更好地加密光栅的布置,从而能够满足高应变梯度测试中测点密集的需求．

3) 将裸光栅直接粘贴在钢筋纵肋侧边,减小了应变传递中间层的影响;通过黏结剂自身的强度及钢筋实现对光纤的保护．结合光纤光栅的串联分布式测量,充分发挥了光纤体积小、测量导线少的特点,满足了不破坏黏结面的要求．

4) 经钢筋混凝土黏结滑移试验验证,密布型光纤光栅能很好地完成黏结滑移试验中钢筋屈服前后的应变测试,且测得了锚固段钢筋的应变分布,说明这种方法是可行的．该方法对纤维复合材料等的黏结滑移试验中的应变测试也同样具有参考意义．

)

[1]欧阳坚,程文瀼,陈忠范. 植筋粘结锚固性能的动力试验研究[J]. 工业建筑, 2010, 40(6): 68-73.

Ouyang Jian, Cheng Wenrang, Chen Zhongfan. Dynamic test of property of chemical adhesive anchorage bar[J].IndustrialConstruction, 2010,40(6):68-73. (in Chinese)

[2]Rao Y J. Recent progress in applications of in-fiber Bragg grating sensors[J].OpticsandLasersinEngineering, 1999,31(4): 297-324.

[3]李爱群, 周广东. 光纤Bragg光栅传感器测试技术研究进展与展望(Ⅰ): 应变、温度测试[J]. 东南大学学报:自然科学版, 2009, 39(6):1298-1306.

Li Aiqun, Zhou Guangdong. Progress and prospect of fiber Bragg grating sensors measurement technology(Ⅰ): strain and temperature measurement[J].JournalofSoutheastUniversity:NaturalScienceEdition, 2009,39(6): 1298-1306. (in Chinese)

[4]徐海伟, 曾捷, 梁大开, 等. 基于光纤传感网络的可变体机翼应变场数值模拟及实验验证[J]. 航空学报, 2011, 32(10):1842-1850.

Xu Haiwei, Zeng Jie, Liang Dakai, et al. Numerical simulation and experimental study of strain field for morphing wings based on distributed fiber Bragg grating sensor network[J].ActaAeronauticaetAstronauticaSinica, 2011,32(10): 1842-1850. (in Chinese)

[5]Panopoulou A, Loutas T, Roulias D, et al. Dynamic fiber Bragg gratings based health monitoring system of composite aerospace structures[J].ActaAstronautica, 2011,69(7/8): 445-457.

[6]Yan C, Ferrarisa E, Geernaertb T, et al. Development of flexible pressure sensing polymer foils based on embedded fibre Bragg grating sensors[J].ProcediaEngineering, 2010,5:272-275.

[7]孙丽, 李宏男, 任亮. 光纤光栅传感器监测混凝土固化收缩实验研究[J]. 建筑材料学报, 2006, 9(2):148-153.

Sun Li, Li Hongnan, Ren Liang. Experiment study on monitor of concrete shrink in the cure period with FBG sensor[J].JournalofBuildingMaterials, 2006,9(2):148-153. (in Chinese)

[8]潘建伍,曹双寅,何小元,等. 散斑干涉在纤维与混凝土粘结面位移场测量中的应用 [J]. 东南大学学报:自然科学版, 2003, 33(3):347-350.

Pan Jianwu, Cao Shuangyin, He Xiaoyuan, et al. Application of ESPI in displacement measurement of bond area between FRP and concrete[J].JournalofSoutheastUniversity:NaturalScienceEdition, 2003,33(3):347-350. (in Chinese)

[9]Ugale S P, Mishra V. Modeling and characterization of fiber Bragg grating for maximum reflectivity[J].Optik-InternationalJournalforLightandElectronOptics, 2011,122(22): 1990-1993.

[10]李尧, 赵鸿, 朱辰,等. 光纤光栅技术综述[J]. 激光与红外, 2006, 36(9): 749-754.

Li Yao, Zhao Hong, Zhu Chen, et al. Study on fiber gratings technology[J].Laser&Infrared, 2006,36(9): 749-754. (in Chinese)

[11]宁提纲, 裴丽, 简水生. 应变对啁啾光栅特性影响的研究[J]. 中国激光, 2002, A29(11):1011-1014.

Ning Tigang, Pei Li, Jian Shuisheng. Study on strain effect of Chirped FBG characterization[J].ChineseJournalofLasers, 2002,A29(11):1011-1014. (in Chinese)

[12]李剑芝, 姜德生. 载氢与光纤布喇格光栅[J]. 材料研究学报, 2006, 20(5): 518-522.

Li Jianzhi, Jiang Desheng. Hydrogen loading and fiber Bragg grating[J].ChineseJournalofMaterialsResearch, 2006,20(5): 518-522. (in Chinese)

[13]Li Qingbin, Li Guang, Wang Guanglun. Elasto-plastic bond mechanics of embedded fiber optic sensors in concrete under uniaxial tension with strain localization[J].SmartMaterialsandStructures, 2003,12(6): 851-858.

[14]陆飞. 分布式光纤传感技术在土木工程结构监测中的应用研究[D]. 南京:东南大学土木工程学院,2007.