船闸结构施工过程光纤监测应用研究

来源:用户上传      作者:宋占璞

　　摘 要：文章以海安船闸工程为例，采用三种光纤感测技术对船闸结构施工过程进行了监测应用研究。运用拉曼散射光时域反射技术对底板混凝土水化热的释放过程进行了监测;运用布里渊光时域分析技术和布喇格光纤光栅传感技术对混凝土和钢筋应变进行了监测。根据监测结果，分析了混凝土水化热释放过程和上部荷载双重作用下船闸底板混凝土和钢筋的应变过程，并分析了相关监测结果的形成机理。研究成果表明分布式光纤感测技术在船闸等大型水工结构施工安全监测中具有很大的优势，值得应用推广。
　　关键词：船闸工程;光纤监测;混凝土;结构监测
　　中图分类号：TV7+X171.4            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）01-0051-04
　　引言
　　大型钢筋混凝土结构在以船闸、大坝为代表的水利水运工程中得到了越来越广泛的应用。由于船闸工程结构复杂、施工难度大，需要在施工期间对其关键部位的应变、应力状态进行监测[1]。监测闸首结构施工过程中钢筋混凝土结构的温度、应力、应变，可以对闸首结构的施工质量的准确评估，对运行期的维护提供科学依据，也为类似船闸的优化设计提供了数据支撑[2，3]。
　　目前，对于船闸工程施工期监测所采用的相关技术主要有沉降仪、测斜仪、全站仪、水准仪等[4]。这些监测技术均属于点式测量，测点分散，也很难对混凝土结构内部的应力应变和温度进行实时测量。近年来光纤感测技术作为分布式监测手段，已越来越多地应用于工程结构的施工监测和健康诊断。分布式光纤感测技术属于无源感测技术，采用光信号感测具有本质安全、抗电磁干扰、防水防潮、抗腐蚀和耐久性长等特点[5]。另外，该技术采用光纤传输，传输损耗小，容易实现远距离信号传输和自动监测控制。相关研究人员在土木工程、水利工程和航空航天等领域已经开展了广泛的光纤感测技术理论和应用研究，取得了一系列研究成果：施斌等[6，7]将分布式感测光纤黏贴在隧道混凝土表面对其进行健康诊断，Matta等[8]将传感光纤黏贴在钢结构表面以监测钢桥应变，Zhou等[9]将传感光纤加工成复合筋的形式埋入钢筋混凝土梁内部并随其进行了实验研究。此外，毛江鸿等[10]开展了光线感测技术在结构应变及开裂监测中的应用研究，但其研究仅限理论论证及室内试验，缺乏实际工程验证。
　　本文以江苏省海安船闸为依托工程，采用三种光纤感测技术，包括布里渊光时域分析技术（Brillouin Optical Time-domain Analysis，简称BOTDA），拉曼散射光时域反射测量技术（Raman Optical Time-domain Refectometry，简称ROTDR）和布喇格光纤光栅技术（Fiber Bragg grating，简称FBG）分别对船闸闸首底板在温度、受荷作用下混凝土结构内部的应力应变信息，闸首底板混凝土浇筑过程中水化热的释放和底板内部钢筋的应力应变信息进行了监测，取得了一些新的认识。
　　1光纤感测技术原理
　　本次研究采用了BOTDA、ROTDR和FBG三种光纤感测技术，它们具有各自的感测原理和功能。BOTDA技术基于受激布里渊散射原理，利用了光纤中的布里渊散射光频率变化量与光纤轴向应变、环境温度之间的线性关系来实现传感[6，7]。ROTDR测温技术以光脉冲来照射纤芯，光波发生拉曼散射，散射光中斯托克斯光和反斯托克斯光的强度比和温度具有线性关系[5]。FBG具有良好的波长选择特性，满足布喇格衍射条件的入射光（波长为lB）在FBG处被耦合反射，反射光谱在FBG中心波长lB处出现峰值，布喇格衍射条件可表示为[11]。应变和温度的变化量与反射光中心波长lB的位移有良好的线性关系，通过检测反射光中心波长的漂移，实现对环境温度和结构应变的监测。
　　2监测方案
　　2.1船闸概况
　　海安船闸位于江苏省南通市海安县，采用双线230×23×4.0（m）上、下闸首对齐布置，两闸中心距60m，闸首采用整体刚度大抗震性能好的钢筋混凝土坞式结构，闸首边墩采用空箱式结构，左右空箱底部设有输水廊道。
　　2.2 监测方案
　　2.2.1混凝土水化热温度监测
　　针对闸首底板结构尺寸大、混凝土分块浇筑的特点，本次研究采用分布式ROTDR测温技术与点式FBG测温技术相结合的方式监测底板混凝土水化热温度：分布式测温传感光纤采用U字型回路布设于底板中部，U字型间距3m，距表层1.5m处，监测底板混凝土内部水化热温度变化过程;FBG温度计与结构上、下表层钢筋绑扎安装，监测结构表层混凝土温度。底板结构设置后浇带，横向隔离为三个体积相近的块体，块体编号及光纤传感器布设如图1所示。
　　2.2.2 混凝土和钢筋应变监测
　　用BOTDA技术分布式纤维加强筋光纤监测底板上、下表层混凝土在闸首施工过程中的应变;采用FBG钢筋应力计监测底板上、下表层钢筋在闸首施工过程中的應变，传感器的技术参数如表2所示。应变传感光纤和钢筋应力计垂直于船闸轴向安装，监测底板结构钢筋受力及底板挠曲变形，位置示意见图1。
　　2.2.3 混凝土裂缝监测
　　闸首输水廊道上导角位置混凝土受上部荷载及流水冲刷作用最易发育裂缝。本次研究采用BOTDA技术将纤维加强筋光缆沿输水廊道上导角混凝土表层，监测该位置混凝土应变，结合混凝土材料的极限抗拉强度判断混凝土裂缝发育情况，传感器安装位置示意见图1。
　　3监测结果分析
　　3.1 混凝土水化热温度
　　闸首中底板结构长14.8m，宽29.2m，高3m，浇筑混凝土1042m3，属于大体积混凝土结构。大体积混凝土由于水泥水化释放水化热，结构内部和表层散热条件不同形成内外温差，由于内外约束存在，混凝土不能自由变形，在水化热作用下产生温度应力。图2为混凝土浇筑完成之后ROTDR系统获得的内部温度场变化过程云图： 　　从图中可以看出，混凝土浇筑完成之后，水化热反应迅速，1-5天底板内部温度快速上升，至第5天，底板混凝土内部区域温度达到最大值。混凝土内部温度升高之后，内部热量向表层传递散热;第7天之后，内部温度开始缓慢下降。至浇筑完成第14天，混凝土内部温度场下降至平稳阶段，至养护期结束，混凝土内部温度降至环境温度。
　　图3是光栅FBG传感器监测的底板上、下表层温度与ROTDR测得的底板中心温度差值。由图可知，上表层混凝土温度浇筑完成初期下降较快，随后中心温度向表层消散，上表层临空，散热条件较好，下表层附着地基，散热条件不理想，说明底板大体积混凝土水化热主要通过上表层散热。
　　3.2 混凝土应变
　　基于BODTA技术的闸首底板混凝土结构应变监测网络，测得船闸工程闸首结构封铰之后、边墩后土体回填完成和船闸通航之后闸首底板上、下表层的混凝土应变变化，见图4。
　　3.3 钢筋应变
　　闸首底板FBG钢筋应力计采用与主筋串联焊接的方式安装，现场实时监测混凝土浇筑完成之后2#底板中钢筋的应变，监测结果见图5（a）。分析上、下表层钢筋受力作用，
　　4 结论
　　（1）采用ROTDR和FBG相结合的分布式光纤感测技术，能完整监测到闸首底板大体积混凝土水化热的释放过程。
　　（2）采用BOTDA与ROTDR相结合，准确地获取了船闸闸首底板结构在施工过程中混凝土的应变分布。
　　（3）采用FBG准分布式光栅传感技术监测了船闸闸首底板中钢筋的应力变化过程。
　　本次采用光纤感测技术监测船闸结构施工过程的结果表明：根据被测物的结构特点，利用三种分布式光纤感测技术各自优势，取长补短，可形成船闸分布式光纤传感监测体系，可实现船闸整体和局部的精细化监测。
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　　基金项目：江苏省青年基金项目（SBK2017040181）
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