FBG传感技术在预制桩高应变检测中的应用研究.doc

1、FBG 传感技术在预制桩高应变检测中的应用研究【摘要】目前在桩基、桥梁等应力应变监测和检测领域中，FBG 因其具有精度高、抗电磁干扰能力强、环境适应能力强、使用寿命长等优点，已经成为一种新的先进监测、检测手段，本文介绍了 FBG 传感技术测试原理和预制桩光纤光栅的植入工艺，并结合具体的工程实例，将传统的高应变检测的应变数据与 FBG 应变数据进行了对比研究，结果表明：FBG 传感测量数据能较好地适用于高应变检测。 【关键词】 FBG；高应变；桩基检测；预制桩 【中图分类号】TU196+.1 【文献标识码】 B Study on high strain detection of precast

2、pile using FBG sensing technology Qiu Zhenhong (Shanghai jiangnan architectural design institute co,. ltd ShangHai 201800) 【Abstract】 FBG which has the advantage of high precision, strong ability of anti-electromagnetic, strong adaptive capacity to environment, long service life, etc has become a ne

3、w advanced detection way in the field of pile foundation and bridge. This paper introduces the measure principle of 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 comp

4、ared. The results showed that FBG data is suitable for high strain detection. 【Keywords】 FBG; high strain; detection of pile foundation; precast pile 0 引言 桩基检测中高应变检测是一项重要检测内容，通过分析应力应变随桩身变化情况分析桩身完整性和桩的承载性状1-2。由于采用高应变进行承载力检测具有工期短、成本低、效率高等特点，促进了高应变检测法的推广，但是高应变检测的精度很大程度上与测试传感器有关。传统的电阻式、钢弦式、电感式传感器普遍存在灵敏度

5、差、精度低、抗电磁干扰能力弱，受水腐蚀失真或失效等缺点，难以适应现代工程精确检测的要求。而近年来兴起的光纤光栅传感器则具有精度高、抗电磁干扰、防水防潮、抗腐蚀和耐久性长等特点3-6，其体积小、重量轻，便于铺设安装，且不存与监测对象不匹配的问题，对监测对象的材料性能和力学参数等影响较小。另外，光纤光栅传感技术采用光纤进行信号传输，传输损耗小，容易实现远距离信号传输，正好弥补了传统检测技术的不足。本文结合具体的工程实例，将 FBG 传感器植入检测的预制桩中，同时采集传统 的高应变检测应变数据和 FBG 应变数据，并进行对比研究。结果表明：FBG 测量数据可靠，具有较好的适用性。 1 FBG 传感技

6、术测量原理 光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,简称 FBG）是利用光纤材料的光敏性在纤芯内形成空间相位,光栅其作用的实质是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜，使得光在其中的传播行为得以改变和控制7。 图 1 光纤光栅传感器的构造 如图 1 所示，FBG 传感器分布在光纤纤芯的一小段范围内，它的折射率沿光纤轴线发生周期性变 作者简介：邱正红，1982 年出生，男，汉族，重庆潼南县人，工学学士，助理工程师，主要从事岩土工程勘察和基坑设计工作。E-mail：qzhlive.it 化，图中纤芯的明暗变化代表了折射率的周期变化。光纤布拉格光栅是光纤纤芯折射率沿光纤轴向呈周期性变化

7、的一种光栅。目前已有的基于光纤布拉格光栅的各种传感器的工作原理都可以归结为对布拉格光栅中心波长的测量8-9，即通过对由外界扰动引起的布拉格光栅中心波长漂移量的测量，得到被测参数；布拉格光栅中心波长与光纤纤芯有效折射率以及光纤光栅长度周期 相关10即： (1) 其中：为布喇格光栅的中心波长；为光纤纤芯的有效折射率；为布喇格传感器光栅的栅距。 图 2FBG 传感器工作原理图 显然，宽带光源的输入光谱在通过 FBG 传感器 1 后，形成了波谷峰值为的凹陷，而反射光谱则具有波峰。当光栅所在处的光纤产生轴向应变时，栅距变为： (2) 此时布喇格波长产生相应的变化，它满足： (3) 其中：为有效光弹系数,

8、它的值约为 0.22。 另外，温度变化会引起光纤折射率的变化，同时也会引起栅距的变化，当温度变化为时，将引起布拉格波长产生移动，可以表示为： (4) 其中：为光纤的热膨胀系数， ；为光纤的热光系数， 。 由(3)、(4)两式得到同时考虑应变与温度变化时，所引起的波长移动： (5) 由此可知，只要测出布喇格波长的变化，就可以得到外界的应变或温度扰动。 2 预制桩 FBG 植入工艺 预制桩一般是在工厂制作而成的，特别是预应力预制桩是在预制厂经过先张预应力，离心成型及高压蒸养等工艺生产而成的高强预制混凝土构件11，无法将光纤光栅浇注到其中。在打桩的过程中，由于预制桩管壁与土体的摩擦力很大，将光纤光栅

9、贴在预制桩表面时，很容易造成打桩时光纤光栅被刮断12。本文采用在预制桩表面刻槽后放入光纤光栅再用高强度胶进行密封，这样既成能保证光纤光栅的成活率，又能保证光纤光栅与预装桩身变形的一致性。预制桩的 FBG 植入工艺主要包括以下四个工序。 （1）光纤熔接 在 FBG 传感技术测量中，光纤只是进行光信号的传输，真正起到测量作用的是光栅的那部分。所以要根据桩长截取相应长度的传输光纤与FBG 传感器进行熔接。 （2）刻槽布纤 用开槽机在预制桩身表面沿着布纤路线刻槽，槽宽和槽深以能放入光纤为准(太深容易破坏桩身强度)，光纤放入槽内用 502 胶水进行定点固定，刻槽布纤如图 3 所示。 图 3 刻槽布纤 （

10、3）光纤保护 用高强胶（环氧树脂）填充槽内进行光栅粘贴和光纤线路保护，在桩端出露的光纤用套管进行保护，将多余的光纤盘绕在桩头并用缓冲材料进行包裹保护，光纤保护如图 4 所示。 图 4 线路保护 （4）打桩对接 将布好光纤的桩按顺序进行打入，在桩对接时进行上下两桩光纤的对接，并将多余光纤盘绕在接头地方进行强化处理，打桩对接如图 5 所示。 图 5 打桩对接 3 工程实例 3.1 工程背景 嘉定区城北大型经济适用房（南块）位于上海市嘉定区，住宅楼和配套商业拟采用桩基础，地下车库、地下 P 型站和地下水泵房拟采用抗拔桩。工程主要负责桩基设计参数可行性研究工作。根据设计需要，结合勘察资料，进行现场原位

11、测试，包括：模型桩单桩竖向抗压、单桩竖向抗拔静载，锤击桩高应变跟踪监测及桩身应力分析，获得各层土设计参数。 3.2 测试方法 本文主要研究该工程中管桩（管桩桩长 13.0m，内径 0.22m，外径0.4m）的高应变检测。通过光纤光栅测得应变数据分别与高应变测桩仪导出数据进行对比。桩身应力测量采用光纤光栅应变传感器。光纤光栅应变传感器布设：在桩顶以下 1m 处（-1m)布设一个；在土层交界处 6.5m处（-6.5m)布设 1 个，在桩底以上 50cm 处（-12.5m)布设 1 个，FBG 传感器布设如图 6 所示。 图 6 FBG 传感器布设图 高应变初打跟踪监测试验按照建筑基桩检测技术规范

12、（JGJ 106-2003）进行，测试方法见图 7。 图 7 高应变测试图 3.3 检测数据分析 本文选取了一根测试桩，对桩的锤击高应变数据进行分析。通过预埋在桩身上的光纤光栅测得应变数据分别与高应变测桩仪输出数据进行对比研究，FBG 传感器测试出的数据曲线如图 8 所示。曲线中第一个峰值的出现表示在击打过程中桩身产生的最大应变，其余峰值是由于击打过程中余震产生。图形显示在-1m 处峰值最高，其次-6.5m 处，-12.5m 处峰值最小。这表明：在被击打过程中，离测试桩由桩顶至桩底，桩身应变逐渐减小，在桩顶处会产生最大应变，所以在锤击过程中要加强对桩顶的保护。 图 8 高应变时光纤测得应变曲线

13、图 由于-1m 处安装的 FBG 传感器与高应变检测中的应变片安装位置接近（检测传感器的安装用膨胀螺栓安装在距桩顶约 2 倍桩径处） ，将-1m 处的 FBG 测试数据与应变片的数据进行了对比，光纤应变曲线与高应变仪导出应变曲线对比图如图 9 所示。从图 9 中可以看出，两者的曲线较为吻合，这说明 FBG 传感技术适用于高应变检测。 图 9 高应变时光纤曲线与高应变仪导出曲线对比图 4 结论 （1）本文将 FBG 传感监测技术应用于桩基检测中，将光纤光栅测得应变数据与高应变测桩仪输出数据进行比较研究。结果表明：FBG 传感数据能较好地适用于高应变检测，但也存在不足，由于高应变检测同时需要应变数

14、据和加速度数据，而此次测试只采集了桩身 FBG 应变数据，如果在桩身相应的位置能安装 FBG 加速度传感，同时采集 FBG 应变和加速度数据，拟合桩基的承载力与传统高应变测桩仪测出的桩基承载力进行对比，将是本论文需要深入研究的一个方向。 （2）FBG 传感器可以安装在桩体的任何位置，如果将 FBG 传感技术运用于高应变检测中，就可以 测得桩体任何位置的应变，而不仅仅局限于桩顶附近。 （3）检测数据的精确度不但与测试方法有关，还与传感器的性能有关，FBG 传感器正是由于其高精度、抗电磁干扰能力强等特点得到了工程界广泛的关注。但是，由于其比较高的价格也限制着它的发展。随着科学技术的发展，FBG 传

15、感技术将会得到广泛发展。 参 考 文 献 1 刘万恩，蔡克俭，夏结祥 海上超长大管桩的高应变动力检测J 施工技术，2006 增刊，249-252 2 时猛 东营市预应力管桩高应变动力检测的竖向承载力计算D中国石油大学（东华） ，2008 3 田德宝，张大煦，孙俊良，等 光纤布拉格光栅应变测量在天津奥体中心工程中的应用J 施工技术，2008， 37(11)：64-66 4 嵇雪蘅，李宏男，任亮，等 光纤布拉格光栅传感器在钢架结构健康监测中的应用研究J防灾减灾工程学报，2008，28(1)：43-48 5 武胜军，王宏力，敖红奎FBG 传感器在隧道锚杆支护结构监测中的应用研究J传感器与微系统，20

16、07，12(26)：31-33 6 余小奎分步式光纤传感技术在桩基测试中的应用J岩土工程勘测，2006，6：12-16 7 李川，张以谟，等光纤光栅原理、技术与传感应用M北京：科学出版社，2005 8 王惠文光纤传感技术与应用M北京：国防工业出版社，2001 9 徐恕宏传感器原理及其设计基础M北京：机械工业出版社，1988 10 李宏男，孙丽，梁德志光纤布拉格光栅传感器用于混凝土结构施工监测J建筑材料学报，2007，21(3)：342-347 11 阮起楠预应力混凝土管桩M北京：中国建材工业出版社，2000 12 魏广庆，施斌，贾建勋，等分布式光纤传感技术在预制桩基桩内力测试中的应用J，岩土工程学报，2009，31（6）：911-916