CN101245989A - 基于纤维增强树脂-光纤光栅智能筋的预应力损失监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于纤维增强树脂－光纤光栅智能筋的预应力损失监测方法。其方法为：在含光栅串的纤维增强树脂－光纤光栅智能筋的外表面缠绕一层高延性金属箔，作为填充介质，将去掉中心丝的钢绞线外层钢丝顺智能传感筋的同一方向均匀绞制，制成具有智能传感特性的光纤光栅智能钢绞线。通过准分布式光栅波长变化感知智能筋的应变，推算出钢绞线的应力结果，监测结构整体的预应力损失，并采用光纤光栅绝对温度补偿方法进行温度补偿。该方法具有防潮、耐腐、易于传输、损耗小、易于布设和组网、准分布式测量、绝对测量和实时监测能力强等优点。

Description

基于纤维增强树脂-光纤光栅智能筋的预应力损失监测方法

(一)技术领域

本发明涉及结构损伤监测领域，具体地说涉及一种基于光纤光栅(FBG)智能筋的结构预应力损失监测技术。

(二)背景技术

当今预应力技术已经广泛地应用于土木工程的各个领域。改革开放以来，我国可自行生产高强钢材制品，为发展高效预应力结构创造了条件，已广泛应用到了高层建筑、大跨建筑、多层建筑、特种结构、工程加固和桥梁上。预应力损失会影响预应力效果，降低预应力混凝土构件的抗裂性能及刚度，严重时导致构件发生开裂、持续下挠现象，还会对耐久性产生严重影响，造成安全隐患。此外，现有的预应力损失理论计算方法并不十分完善，有时与实际监测情况存在较大偏离。对预应力损失进行监测是确保结构承载能力、控制裂缝产生和完善预应力损失理论计算方法的重要手段。

目前国内外关于预应力损失监测的技术主要利用下述几种测力传感器：电阻应变计式、差动电阻应变计式、钢弦式和磁通量传感器等。但这些预应力监测传感器主要有以下方面不足：1)长期耐久性和稳定性差。现有传感器防潮、防腐、防雷电、抗干扰性能较差，不能适应野外长期工作的恶劣环境，多数传感器在装上2至3年内就失效了，不能达到长期监测的目的。2)不能实现分布测量。在预应力结构整体的应力损失机制，现有监测仪器无法全面反映，多是一些点式测量。3)信号不能远距离传输。电阻应变式和差动电阻式传感器的电信号一般都是在微伏级至毫伏级之间，随着传输距离的增加，噪声与干扰增大，灵敏度显著降低，一般使用距离在几米至十几米之间。钢弦式传感器为交流频率信号，输出电压波形幅值有失真或衰减，对测量结果影响较小，因此传输距离可远些，但也只能达数百米。4)不能绝对测量。需要多次标定和修正的传感器不能胜任长期的离线监测。而近年发展起来的光纤光栅传感技术为这一难题提供了新的思路，能够弥补以上技术的不足。光纤光栅作为一种新型的无源光学器件，具有防潮、耐腐、易于传输、损耗小、易于布设、易于组网、准分布式测量、绝对测量和实时监测能力强等优点，已成为智能材料及其相关领域中应用最为广泛的敏感元件之一。

钢绞线通常是预应力结构的重要结构部件，把钢绞线的应力状态清晰描绘出来，就可以反映整个预应力结构的应力状态和预应力损失结果。但是，如何有效地将分布式光纤光栅与钢绞线结合，并根据结构应力监测结果分析预应力损失，评价结构的因预应力损失带来的安全问题是目前尚没有解决的技术难题。虽然有报告采样光纤布拉格光栅来测试钢绞线的预应力损失，但是其工艺为裸光栅直接粘帖，其致命的缺点是钢绞线在受力过程中的扭转很容易破坏传感器的传输线路，且其胶粘剂的耐久性没有基本保障，无法实现长期耐久性监测。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种具有防潮、耐腐、易于传输、损耗小、易于布设和组网、准分布式测量、绝对测量和实时监测能力强等优点的基于纤维增强树脂—光纤光栅智能筋的预应力损失监测方法。

本发明的目的是这样实现的：在FRP-OFBG智能传感筋的外表面缠绕一层高延性金属箔，作为填充介质，将外层钢丝顺智能传感筋的同一方向均匀绞制，制成具有智能传感特性的光纤光栅智能钢绞线，通过光纤光栅智能筋测试钢绞线应力状态对预应力结构进行预应力损失监测，并采用光纤光栅绝对温度补偿方法进行温度补偿。

本发明还包括这样一些技术特征：

1、所述的FRP-OFBG智能传感筋为含光栅串的纤维增强树脂—光纤光栅智能传感筋，其中没有焊点，即在FRP筋制作过程中置入光纤光栅串复合成型，其光栅为串联分布光栅；

2、所述的外层钢丝为去掉中心丝的钢绞线外层钢丝；

3、所述的通过光纤光栅智能筋测试钢绞线应力状态时将光纤光栅智能钢绞线与普通钢绞线共同安装在预应力结构内，对传输信号的光缆进行保护，通过监测不同位置的光栅波长变化计算结构预应力状态，推算出钢绞线的应力结果，监测结构整体的预应力损失情况；

4、所述的FRP-OFBG智能传感筋的长度长于钢绞线的长度；

5、所述的基于FRP-OFBG智能筋的智能钢绞线采样常规夹片锚；

6、所述的基于FRP-OFBG智能筋的预应力损失监测方法采用光纤光栅绝对温度补偿方法实现温度补偿；

7、所述的基于FRP-OFBG智能筋的智能钢绞线的外层钢丝与FRP-OFBG智能传感筋间的间隙用高延性金属箔作为介质填充，高延性金属箔包括铜、铝箔；

3、所述的FRP-OFBG智能传感筋内传感FBG的数量和位置根据监测要求来确定，在预应力监测区域内的控制点选取时，采取均布原则，传感FBG的中心波长值互不相同。

本发明的工作原理如下：

在使用钢绞线作为预应力筋的预应力结构中，钢绞线的应力应变状态可以反映预应力结构的应力状态，监测钢绞线的预应力损失也就可以监测出预应力结构的预应力损失。在钢绞线中，用一根FRP-OFBG智能传感筋替换钢绞线的中芯丝，借助填充的高延性金属箔提高外层钢丝的握裹力，使外层钢丝和FRP-OFBG智能传感筋协同工作，结合成为一根新的智能钢绞线。此智能钢绞线既可与普通钢绞线一样作为受力构件，又能利用FRP-OFBG智能传感筋作为传感元件，监测钢绞线的应力状态。制作FRP-OFBG筋时，串联复用多个光纤光栅，即可实现准分布式测量。通过FRP-OFBG筋中光纤光栅的波长读数感知钢绞线的应变，换算出钢绞线的应力，实现对钢绞线和预应力结构的预应力损失监测。

本发明是一种基于光纤光栅(FBG)智能筋的结构预应力损失监测方法，还涉及到用于结构预应力损失监测的光纤光栅智能钢绞线的制作工艺和安装工艺。光纤光栅智能钢绞线包括FRP-OFBG智能传感筋、高强度钢绞线和作为填充介质的高延性金属箔三部分，即在预应力监测的控制点上把光纤光栅作为应变感知元件与FRP筋复合，通过光纤光栅智能钢绞线实现预应力损失监测。本发明在2005年获得的发明专利—纤维增强塑料-光纤光栅复合传感筋(授权号：ZL 02132998.2)的基础上，将多点准分布式光纤光栅与FRP筋复合，形成做成FRP-OFBG(Fiber Reinforced Polymer-Optical Fiber Bragg Grating)智能筋，替换钢绞线的中芯丝，制成光纤光栅智能钢绞线。光纤光栅智能钢绞线与普通预应力钢绞线一起应用到预应力结构中，通过钢绞线应力状态的监测实现对结构预应力损失的监测，并借助智能筋中光纤光栅的准分布式特征，实现预应力结构整体的应力损失监测。本发明具有防潮、耐腐、易于传输、损耗小、易于布设和组网、准分布式测量、绝对测量和实时监测能力强等优点。

(四)附图说明

图1为FRP-OFBG智能传感筋剖面示意图；

图2为光纤光栅智能钢绞线截面示意图；

图3为光纤光栅智能钢绞线安装示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做具体的描述：

图1所示FRP-OFBG智能传感筋，光纤光栅2的位置应在FRP筋1的中心轴线上。智能传感筋内光纤光栅的数量和位置根据结构监测要求来确定，传输信号的光缆采用铠装光缆。结合图2，光纤光栅智能钢绞线的组成包括FRP-OFBG智能传感筋1、高强度钢绞线的外层钢丝及作为粘结介质的铜箔片3。图3所示为光纤光栅智能钢绞线1与普通钢绞线2的协同工作的安装示意图。

本发明可以采用下述方法来实施：

1)、根据结构监测要求，确定光栅的数量、间距和波长分布，制作无焊点光纤光栅串；然后将合适长度的光纤光栅串与纤维一起牵拉，采用热挤法制成FRP-OFBG智能传感筋。2)、解开钢绞线，取出中芯丝，保留外层钢丝。3)、结合图2，在FRP-OFBG智能传感筋的外表面缠绕一层高延性金属箔片，作为界面填充介质，将外层钢丝顺智能传感筋的同一方向均匀绞制，制成光纤光栅智能钢绞线。4)、结合图3，光纤光栅智能钢绞线与普通钢绞线共同安装在预应力结构内，对传输信号的光缆进行保护。5)利用光纤光栅解调仪读取光纤光栅智能钢绞线中光栅波长读数，经过光纤光栅绝对温度补偿得到结构的应力状态，计算结构预应力损失。光纤光栅绝对温度补偿的温度补偿参考光栅采用与应变测试光栅完全相同的封装材料，并处于自由状态且与被测结构处于相同的温度场。应变测量光栅和参考光栅对环境温度的变化具有相同的响应，所以两者之间的波长相对漂移(波长差)只与应变测量光栅所受应变有关，与环境温度变化无关。基于光纤光栅智能筋的智能钢绞线进行预应力损失监测时，根据测得的智能钢绞线内光纤光栅波长的变化，得出智能传感筋的轴向应变，根据智能传感筋与外层钢丝的协同变形，换算出智能钢绞线的应变和应力，得出结构的应力状态和预应力损失。利用光纤光栅的准分布式特征，可以监测预应力结构不同位置的应力损失的分布图，从而较准确地掌握结构的真实应力分布状态。短期监测结果可用作预应力筋的张拉控制应力，还可监测结构预应力的瞬时损失，评价施工质量。而长期监测结果可以得到结构预应力的长期损失情况，对结构进行长期健康诊断和安全评估，并进一步完善计算分析和设计理论。

Claims (9)

1、一种基于纤维增强树脂—光纤光栅智能筋的预应力损失监测方法，其特征是：在FRP-OFBG智能传感筋的外表面缠绕一层高延性金属箔，作为填充介质，将外层钢丝顺智能传感筋的同一方向均匀绞制，制成具有智能传感特性的光纤光栅智能钢绞线，通过光纤光栅智能筋测试钢绞线应力状态对预应力结构进行预应力损失监测，并采用光纤光栅绝对温度补偿方法进行温度补偿。

2、根据权利要求1所述的基于纤维增强树脂—光纤光栅智能筋的预应力损失监测方法，其特征是：所述的FRP-OFBG智能传感筋为含光栅串的纤维增强树脂—光纤光栅智能传感筋，其中没有焊点，即在FRP筋制作过程中置入光纤光栅串复合成型，其光栅为串联分布光栅。

3、根据权利要求2所述的基于纤维增强树脂—光纤光栅智能筋的预应力损失监测方法，其特征是：所述的外层钢丝为去掉中心丝的钢绞线外层钢丝。

4、根据权利要求3所述的基于纤维增强树脂—光纤光栅智能筋的预应力损失监测方法，其特征是：所述的通过光纤光栅智能筋测试钢绞线应力状态时将光纤光栅智能钢绞线与普通钢绞线共同安装在预应力结构内，对传输信号的光缆进行保护，通过监测不同位置的光栅波长变化计算结构预应力状态，推算出钢绞线的应力结果，监测结构整体的预应力损失情况。

5、根据权利要求4所述的基于纤维增强树脂—光纤光栅智能筋的预应力损失监测方法，其特征是：所述的FRP-OFBG智能传感筋的长度长于钢绞线的长度。

6、根据权利要求5所述的基于纤维增强树脂—光纤光栅智能筋的预应力损失监测方法，其特征是：所述的基于FRP-OFBG智能筋的智能钢绞线采样常规夹片锚。

7、根据权利要求6所述的基于纤维增强树脂—光纤光栅智能筋的预应力损失监测方法，其特征是：所述的基于FRP-OFBG智能筋的预应力损失监测方法采用光纤光栅绝对温度补偿方法实现温度补偿。

8、根据权利要求7所述的基于纤维增强树脂—光纤光栅智能筋的预应力损失监测方法，其特征是：所述的基于FRP-OFBG智能筋的智能钢绞线的外层钢丝与FRP-OFBG智能传感筋间的间隙用高延性金属箔作为介质填充，高延性金属箔包括铜、铝箔。

9、根据权利要求8所述的基于纤维增强树脂—光纤光栅智能筋的预应力损失监测方法，其特征是：所述的FRP-OFBG智能传感筋内传感FBG的数量和位置根据监测要求来确定，在预应力监测区域内的控制点选取时，采取均布原则，传感FBG的中心波长值互不相同。

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