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预应力混凝土桥梁光纤应变监测数据分析
G. T. Webb, Ph.D.1; P. J. Vardanega, Ph.D., M.ASCE2; N. A. Hoult, Ph.D., M.ASCE3; P. R. A. Fidler4;P. J. Bennett, Ph.D.5; and C. R. Middleton, Ph.D., C.Eng.6
摘要：本文介绍了九井桥的纤维光学应变监测数据，该桥是一座位于英国剑桥市的三跨预预应力混凝土梁板桥。描述了现场的最初部署以及使用布里渊光时域反射（BOTDR）技术收集分布应变数据的挑战。特别强调纤维坚固性和温度效应的建设和部署问题。讨论解释所收集数据的挑战以及可能获得的信息的潜在价值。讨论并分析了与相关测量相关的挑战，包括预期应力水平，包括剥离，蠕变和收缩引起的影响。本文提供了一个机会来研究两种常用的蠕变和收缩模型，充分模拟在现场条件下收集的数据。DOI：10.1061 /（ASCE）BE.1943-5592.0000996。本作品根据知识共享署名4.0国际许可条款提供，网址为http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/。
关键词：布里渊光时域反射仪（BOTDR）; 混凝土蠕变; 混凝土收缩; 预应力混凝土; 结构健康监测; 应变测量。
简介
2008年，英国剑桥市南部建了一座新的公路桥。九井桥提供了一个理想的测试平台，用于试验适用于施工期间安装的新型传感器和仪器技术。一种这样的技术有可能在施工期间嵌入到结构中使用光纤传感器（Casas and Cruz 2003）。 光纤应变检测正变得越来越普遍，例如，Costa和Figueires（2012）研究了在葡萄牙钢拱桥上使用光纤技术时的部署难题。 已经提出了用于腐蚀检测的光纤测量（Wang and Huang 2011）和混凝土梁裂缝检测（Deif et al。2010; Regier and Hoult 2014b）。使用光纤电缆测量应变已被用作十多年来的结构健康监测（SHM）技术包括嵌入预应力混凝土梁内（Maaskant et al。1997）。
然而，绝大多数这些试验都使用了一种被称为光纤布拉格光栅（FBG）的技术（Maaskant et al.1997; Moyo et al.2005; Gebremichael et al.2005），该技术使用小光栅作为本地光纤电缆上的“应变仪”，其分辨率约为1mu;є（Gebremichael et al。2005）。虽然可以在同一根光纤上制造多个FBG传感器，但为了区分每个光栅的读数，必须选择每个光栅，以使它们都能在整个应变范围内以不同的频率产生反射。这限制了可能存在于单根光纤电缆上的应变仪的数量。
使用光纤电缆测量应变的另一种技术是布里渊光时域反射仪（BOTDR）。在这种方法中，光脉冲沿着电缆发送，测量反射回或反向散射的光谱频率（Parker等，1997）。背散射光谱的峰值频率受到光纤电缆中温度和应变的影响（Kurashima et al。1993）。如果温度已知，则可以通过减去温度的影响来确定电缆中的应变。不幸的是，与FBG相比，BOTDR中的背散射光的强度非常低，这意味着许多读数必须一起进行取平均值，导致测量时间增加并且精度降低。商业上可用的BOTDR分析仪产生的随机误差通常以大约15mu;є的标准偏差分布（Klar et al。2006）。
除了布里渊效应之外，当光脉冲沿着玻璃纤维传播时，由于光纤沿其长度的折射率的变化，一部分光被反射。这就是所谓的瑞利散射。已经发现这种散射光的强度与应变成正比，尽管像布里渊散射一样，它也对温度变化敏感。利用目前市场上可买到的分析仪，该技术只能用于长达约70米的光纤，而与基于布里渊散射系统的可能的公里长度相比，该技术只能用于长度约70米的光纤。Hoult等人（2014年）和Regier和Hoult（2014a）展示了使用光纤传感器的瑞利散射方法测量桥梁应用中的分布应变的能力，并改善了空间（5-20 mm）和应变（~1 mu;є）的分辨率。Henault等人（2012）证明，这些传感器可用于测量四点弯曲试验梁的混凝土应变，以获得与振弦应变仪（VWSG）获得的结果一致的结果。 Villalba和Casas（2013）将这项技术作为钢筋混凝土梁的早期裂缝检测工具，利用粘结在混凝土梁表面的纤维进行分布式应变测量。Michaud等人（2016）使用基于瑞利的系统来表征具有和不具有再循环骨料的梁之间的行为差异。应变结果被用来检测裂缝的发展，并在较高水平的骨料替代物的早期荷载下检测钢筋应变的相应增加。
BOTDR技术已被研究人员Gao 等人（2006）和Zhou 等人（2009年）在预应力混凝土梁的实验室环境中验证。 Klar等人（2006）和Bourne-Webb等人（2009）在桩基工程的现场试验中进行了涉及嵌入式光纤BOTDR系统的调查。在这种情况下，光纤电缆在施工前被安装在测试地点和商业开发地点。现场试验在预应力混凝土箱梁上也由Zhang等人（2007）完成Matta 等人（2008）关于钢结构的实验完成;然而，这些研究集中在外部粘接的光缆上.。
Ge et al（2014）对嵌入钢筋混凝土梁中的VWSG，FBG和BOTDR进行了实验室研究，并得出结论认为传感器类型（高达25-30％）之间存在显着差异。在桥梁结构上需要更多的使用BOTDR技术的现场试验，特别是使用在施工期间嵌入的纤维（而不是外部连接）。像BOTDR这样的分布式监测技术相对于仅提供离散点测量的系统具有许多优点。因为测量是在沿着电缆的每个位置进行的，所以在结构上没有检测到任何本地化问题的可能性要低得多。
根据Ghali 等人（2016年），“......代码没有足够的条款规定了可靠的安全防护措施，以防服务失败;例如控制混凝土徐变和收缩，预应力钢筋松弛，温度变化和预应力损失的有害影响。“Howells等人（2005）研究了许多混凝土徐变和收缩模型的敏感性，并得出结论：混凝土的相对湿度和抗压强度具有很大的影响力。 Lark等人（2004）研究了两座后张桥梁的长期徐变和收缩性能（超过16年），并表明一些常用的设计方法与测量的实地数据（虽然保守）合理一致。本文提供了一个很好的机会使用现场测量的匹配来研究预应力混凝土的两种蠕变和收缩预测模型（CEN 2004; Collins and Mitchell 1997）。
系统部署
英国剑桥郡的九井桥（图1）是一座三跨桥梁，在连接剑桥和伦敦的主要铁路线上搭载一条新路。 施工于2008年夏季开始，并于2009年夏完成。每座桥梁跨度约为30米，由12块预制预应力混凝土梁（图2）支撑在镶嵌橡胶支座上。
每根梁沿底部弦长有27根直径为15.2毫米的预应力钢绞线，沿顶部弦长有4根15.2毫米直径的钢绞线（图3）。每根预应力束预拉伸至162kN，这是232kN特征断裂强度的70％。现场浇铸的甲板厚度为294毫米，顶部为25毫米直径的纵向钢筋，底部为20毫米直径的钢筋，间距为150毫米。标称混凝土保护层规定为40毫米。这些横梁的设计最初只需简单地支撑，然后在现场甲板平板上施工时在两个中间桥墩上连续进行（如图4所示草图和图5所示）。本研究项目旨在探讨在桥梁结构中使用BOTDR技术的潜在能力，并考察这些部署所面临的实际挑战。 Hoult等人（2009年）已经讨论了部署的一些细节，Vardanega等人（2016a，b）也简要地在做出了研究。本案例研究介绍了该项目的完整治疗。这座桥还被用作独立研究项目的一部分，研究将结构的振动监测作为特征描述和损伤检测工具的可能性（Whelan等人2010）。
图1.施工阶段的九井桥
图2 桥梁横截面布置图
图3 梁截面光纤应变点位置
监测的目的
收集数据的能力不足以让任何监控系统获得有价值的信息。Webb等人 （2014b）提出了一种用于SHM部署的分类系统，其可以分为（1）传感器部署研究，（2）异常检测，（3）模型验证，（4）阈值检查或，（5）损害检测。 这个分类系统将用于描述本文中部署的各个方面。
除了试用相对较新的传感技术（传感器部署研究）之外，监控装置还旨在为桥梁设计师/业主提供价值。 测量应变将允许分析结构的长期行为。 有兴趣将这些测量结果与各种经验性蠕变和收缩模型进行比较（模型验证）。 最后，考虑了这个系统可能用于损害检测的方式。
监测描述
最西端跨度的6根梁，如B1-B6所示，如图2所示。在预应力钢绞线预拉伸之后但在钢筋加固之前，在预制场地的每根梁上安装了光纤电缆箍筋已经固定在模具中。在六根梁中安装了两种类型的光缆（图6），一种与混凝土粘结（这里称之为总应变纤维），另一种是感应芯未粘结到混凝土（以下简称温度纤维）。用于测量温度应变的电缆由悬浮在凝胶中的光纤组成，其避免了混凝土和传感核心之间的剪切转移，包裹在防护涂层中。这些电缆[图7（a）]的直径为6毫米，但只粘在梁末端的预应力股上，并且每隔几米用胶带支撑。因此，混凝土有足够的空间穿透电缆和预应力钢绞线，减少了光纤电缆对预应力钢绞线的任何潜在影响。这样可以消除温度对布里渊频移的影响，从而可以计算总应变光纤中的真实应变（由于所施加的载荷以及时间相关效应和结构的热响应）。用于测量总应变的光纤电缆是低价（普通电信级）电缆，除了一个光束（试样B4）。低成本的电缆是一根12芯的肋条电缆（0.3times;3.2mm），如图1和2所示。6和7（b）。这样可以提供足够的表面积与混凝土结合，同时不会干扰预应力钢绞线与混凝土之间的粘结。在试样B4中，一根更耐用的光纤带状电缆[图7（c）]沿着其中一根顶部绞合线安装了加强保护套，以比较这些昂贵的电缆与低成本的电信级电缆的性能。这种电缆由4个玻璃芯组成，包层镶嵌在尼龙套管中，钢丝从四个芯体两侧的套管的每个边缘向下流动。这条电缆宽约5毫米，厚1毫米，与其他两条电缆一样，它只是粘在绞合线的两端，并间歇支撑以减少电缆对连接的影响。所有横梁中的底部电缆都是低成本的电信级12芯带。
如图3所示，光纤在每个光束内安装为一个环路。每根光束都有一根单根光纤电缆，用于以这种方式进行温度测量。 在梁B1，B2，B5和B6中，两根光纤电缆用于总应变测量，安装在横截面的两侧，以下称为北和南光纤（图3）。 由于时间限制，梁B3中只安装了一根总应变测量电缆。 如前所述，在光束B4中，沿着顶部股线使用了更坚固的光纤电缆，沿着底部使用了电信级12芯带状电缆。 每根总应变测量电缆都安装了初始预应力，以确保电缆不会由于施加的载荷或混凝土中的蠕变而进入压缩状态。
部署时间线
表1给出了梁B1和B6的测量日期以及桥梁施工过程中的关键日期。 从梁B1底部的北部纤维以及Beam B6的底部和顶部读取读数。 由于接下来讨论的稳定性的问题，其余波束中的光纤无法提供任何数据。
系统操作
稳健性问题
这次监测活动的目的之一是确定是否可以可靠地使用标准的低成本电信级光纤电缆来测量混凝土梁的应变。不幸的是，在梁的浇筑和安装过程中，许多这些电缆都被损坏。图8显示了在铸造之前光纤电缆在模具中的位置，图9显示了完成的光束。事实证明，在浇筑和混凝土振动过程中，电缆非常容易破裂，因此在浇铸过程中会出现许多电缆断裂现象。当梁从预制场转移到桥梁现场并抬起时，其他纤维受损。光束投射后，发现最初安装的光纤电缆（21个中的11个）的总数量只有一半保持不变。然而，在现场进行运输和安装后，这个数字下降到了不到三分之一（21/6），这意味着几根梁根本没有功能纤维。尽管在B1梁的底部和梁B6的顶部和底部仍然可以读取，但这个数字在安装314天后已降至14％（21/3）。
在桥梁现场，额外的光纤电缆被连接到进入每个光束的光纤上，并且光纤通过金属保护管道从光束的末端向下馈送到安装在地面水平的桥墩表面上的金属盒，以提供通向读取时的纤维。标准电信级纤维用于所有梁，因为金属管道和箱子旨在提供足够的保护;然而，在施工过程中纤维容易受到损坏。金属盒子在很多场合也遭到破坏，损坏了更多的纤维。到2009年，Beam B6内的所有剩余纤维已变得无法使用。显然，廉价的电信级纤维不够坚固，无法安装在混凝土结构中。但是，即使整个使用的是更昂贵，耐用的光纤，安装监控系统的总成本仍然只有桥梁总成本的1％左右。如果系统能够为桥梁业主提供有用的信息，那么这种成本可能被认为是值得的投资。
原始数据
BOTDR分析仪为连接的每根光纤生成一个数据文件，该文件包括原始应变值（正值表示张力），平均值为1米标距长度，沿光纤每50毫米取一次。后处理需要将这些原始值转化为可用的应变读数。图10显示了梁B1的原始应变输出的一些图。 [在beam-1-data.xlsx和beam-6-数据中为Beam B1和Beam B6提供原始应变数据。 xlsx（Webb等2016）]。每行显示从不同测量时间获取的数据并显示若干功能。在每个数据集中，在纤维进入光束的点处存在大的应变变化。由于预先不知道光束外部光纤的长度，因此可以确定光束内读数的空间位置。这种光纤也必须在因故意破坏造成损坏后进行修理。纤维长度的变化可以在图中清楚地看到（图10）。可以将修改应用于修复后的数据集，以确保此长度更改不会影响结果。重要的是要注意，任何单独的一组读数不能被解释为给混凝土带来应变，因为它们取决于在构造梁之前将纤维附接到预应力筋上时所采取的应变的原始参考值。相反，不同时间读取的值之间的相对变化与混凝土应变的变化有关。因此，在36米附近可见应变的明显变化并不代表混凝土应变的变化。
温度补偿
来自分析仪的原始应变读数（在下面的讨论中表示为z）受温度影响有两种方式。 当玻璃纤维改变温度时，总应变将由于热膨胀而变化，这可以使用纤维的热系数af来估计。 此外，还
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