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摘要 3
绪论 4
一：机构体系布置 5
二：检测目的 7
三：检测说明 8
四：部署时间线 8
五：系统操作 9
5.1原始数据 9
5.2温度补偿 9
六：数据解释 15
6.1传感器部署研究 15
6.2模型验证 15
6.3短期效应 16
6.4长期效应 17
6.5损伤检测 19
结论 22
数据可获性 23
致谢 24
符号 25
补充资料 26
参考文献 27
摘要
本文介绍了九井大桥的光纤应变监测数据，这是一个位于英国剑桥的三跨先张法预应力混凝土板式梁桥。原址在现场部署和挑战与使用布里渊光时域反射计（BOTDR）技术收集分布式应变数据相关联描述。特别地，强调了纤维坚固性和温度效应的施工和部署问题。解读收集到的数据信息和发现数据潜藏的内容的挑战可能被争论。涉及到相关的预期预应力水平测量的挑战，包括由于脱粘，徐变和收缩引起的效应，将被讨论和分析。本文提供了一个机会，研究两种常用的徐变和收缩模型，精确模拟在现场条件下收集的数据。 DOI：10.1061 /（ASCE）BE.1943-5592.0000996。这项工作知识共享的条款提供的是归属4.0国际许可证http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/。
关键词：布里渊光时域反射计；混凝土徐变；混凝土收缩；预应力混凝土；结构安全检测；应变测量。
绪论
2008年，一座新的城市桥梁在英国剑桥南部建造完成。九井大桥提供了一个适合施工期间的安装的理想的试验台来试用新的传感器和仪器仪表技术。一个这样的具有嵌入结构的潜力的技术使用光纤传感器（Casas和Cruz 2003）。光纤应变感测技术正变得越来越普遍，例如，Costa和Figueires（2012）调查了当在葡萄牙的一座钢拱桥上使用光纤技术时的布置难题。光纤测量技术已经被提出用于腐蚀检测（王和黄2011）和混凝土裂缝检测梁中（Deif et al.2010；Regier and Hoult 2014b）。使用光纤电缆测量应变已被用作结构健康监测（SHM）和嵌入预应力混凝土梁（Maaskantetal.1997年）技术十多年。
然而，绝大多数的这些试验都使用了一种技术称为光纤布拉格光栅（FBG）（Maaskant et al. 1997;Moyo et al. 2005; Gebremichael et al.2005），其使用较小在光纤电缆上作为局部“变计”的光栅并具有1的分辨率（Gebremichael et al.2005）。虽然可以沿着相同的光纤制造多个FBG传感器，为了区分每个光栅的读数，必须选择每个光栅，使得它们都在其整个应变范围内以不同的频率产生反射。这限制了单个光纤电缆上可能存在的应变计的数量。
另一种使用光纤电缆测量应变的技术是布里渊光时域反射计（BOTDR）。在这种方法中，光脉冲沿着电缆传送，并且反射回来或反向散射的光的频谱能够被测量（Parker et al. 1997）。背光散射光谱的峰值频率受光纤电缆的温度和应变的影响(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中背散射光的强度非常低，这意味着大量的数据不得不放在一起取平均，导致测量时间增加，精度降低。由市售的BOTDR分析仪产生的随机误差通常以约15的标准偏差分布(Klar et al. 2006)。
除了布里渊效应之外，当光脉冲沿玻璃纤维向下传播时，由于纤维沿其长度的折射率的变化，一部分光被反射，这被称为瑞利散射。尽管像布里渊散射一样，它也对温度变化敏感，但是已经发现这种散射光的强度与应变成比例。使用目前市售的分析仪，该技术只能与长达约70米长的纤维相比，和与可能基于布里渊散射的系统公里长度相比较。Hoult等人（2014）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的分布应变，其空间（5-20 mm）和应变（1）分辨率得到改进。亨诺等人（2012）表明，这些传感器可用于测量在四点弯曲中测试的梁中的混凝土应变，得到与振弦应变仪获得的结果一致的结果（VWSGs）。Villalba和Casas（2013）利用这种技术作为钢筋混凝土梁的早期裂纹检测工具，通过混凝土梁表面粘结的纤维进行分布应变测量。Michaud et al.（2016）使用基于瑞利的系统来表征具有和不具有回收骨料的梁之间的行为差异。应变结果用于检测裂缝的发展和相应的用高等的骨料制作的梁在早期负载下的钢筋应变增加。
BOTDR技术已经被像Gao（2006）一样的研究人员在预应力混凝土梁的实验室环境中得到验证和Zhou et al.（2009)、Klar等人（2006）和Bourne-Webb等人（2009年）在现场试验中进行了嵌入式光纤BOTDR系统的调查工作。在这种情况下，光纤电缆安装在试验场的桩和建筑前的商业开发地点。Zhang等人（2007）也进行了田间试验在预应力混凝土箱梁和Matta等（2008）钢结构上；然而，这些研究集中在外部粘合的光纤电缆。
Ge等人（2014）进行了一项实验室研究，比较嵌入钢筋混凝土梁的VWSG，FBG和BOTDR，并得出结论，传感器类型之间存在显着差异，高达25-30％。需要在桥梁结构上使用BOTDR技术进行进一步的现场试验，特别是使用在施工期间嵌入的纤维（而不是外部连接）。分布式监控技术，如BOTDR，与提供的系统相比有许多优点，只有离散点测量。因为在沿着电缆的每个位置进行测量，所以结构上没有检测到任何本地化问题的机会要低得多。据Ghali等人（2016年），“...代码没有足够的条款规定可靠的安全措施，防止可服务性故障; 例子是控制混凝土蠕变和收缩的有害影响的手段，预应力钢松弛，温度变化和预应力损失”。Howells等人（2005）研究了混凝土许多蠕变和收缩模型的敏感性，得出结论：混凝土的相对湿度和抗压强度具有很大的影响。Lark等人（2004）研究了两个后张法桥梁如何延迟长期蠕变和收缩性能（超过16年），并表明了一些常见的设计方法与测量的现场数据（尽管保守）合理一致。本文提供了一个很好的机会来研究预应力混凝土的两种徐变和收缩预测模型（CEN 2004；Collins和Mitchell 1997）的匹配（或缺乏），使用现场测量。
一：机构体系布置
英国剑桥郡的九井大桥（图1）是一座三跨桥，是连接剑桥至伦敦的主要铁路线上搭载新的道路。建设始于2008年夏季，并于2009年夏季完工。单跨跨径约为30米，由12个预制预应力混凝土梁（图2）组成，支撑在层压橡胶轴承上。
单片梁在顶板布置有4times;15.24mm的钢绞线，底板布置有27times;15.24mm的钢绞线。（图3）。
图1 九井桥施工期间
图2 桥梁横断面指示仪表梁
图3 显示光纤位置的横断面
每一根预应力钢束的张拉值为162kN，张拉为破坏强度特征值为232kN的70%。原位铸造的甲板板坯为294毫米厚，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。公称混凝土盖规定为40mm。梁被设计成在两个中间体连续成形之前，最初支撑被简单地当原位甲板板坯铸造（如图4中的草图和图5所示的照片）。本研究项目除了研究这种部署所面临的实际挑战之外，还探讨了使用BOTDR技术在桥梁结构上的潜在能力。oult等人已经讨论了部署的一些细节（2009），还简要介绍了Vardanega等人（2016a，b）在这个案例研究中提出了对该项目的全面处理。该桥梁也被用作单独的研究项目的一部分，该项目检查了使用振动监测结构作为表征和损伤检测工具的潜力（Whelan等人，2010）。
二：检测目的
收集数据的能力不足以使任何监控系统产生有价值的信息。ebb等人 （2014b）提出了SHM部署的分类制度，可以分类如（1）传感器部署研究；（2）异常检测；（3）模型验证；（4）阈值检查；（5）损伤检测。在本文中这个分类系统将用于描述部署的各个层次。
除了试用相对较新的感测技术（传感器部署研究）之外，监控设备还旨在为桥梁的设计师/业主提供价值。测量应变将允许分析结构的长期行为。有兴趣将这些测量与各种经验徐变和收缩模型（模型验证）进行比较。最后，考虑了该系统潜在地用于损伤检测的方式。
三：检测说明
表示为B1-B6的西部跨度的六根梁如图2所示。在预应力钢绞线施加预应力之后，加箍筋之前，光纤电缆安装在预制场地的每个梁中，绑在模具中的位置。在六个梁中安装了两种类型的光纤电缆（图6），其中一个光纤连接到混凝土（以下称为总应变光纤），其中一个传感核心不与混凝土结合（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，防止混凝土和感应芯之间的剪切传递被包裹在保护层中。这些电缆[图7（a）]直径为6毫米仅在梁的端部粘合到预应力绳股上，并且每隔几米用胶带支撑。因此，混凝土有渗透电缆和预应力绞线之间的空间，减少了光纤电缆对预应力接头的任何潜在影响。这允许去除温度对布里渊频移的影响，使得总应变光纤中为真实应变（由于施加的载荷以及时间依赖效应和结构的热响应）。用于测量总应变的光纤电缆是一个光束（标准B4）以外的低成本（常规电信级）电缆。低成本的电缆是一个12芯的色带电缆（～0.3times;3.2mm），如图1和图2所示6和7（b）。这提供了足够的表面积与混凝土结合，同时不干扰预应力束和混凝土之间的结合。在样品B4中，单个更坚固的光纤带状电缆[ 如图7（c）所示）与其中一根顶线安装了加强保护套，以将这些更昂贵的电缆与低成本电信级电缆的性能进行比较。该电缆由四个玻璃芯组成，包层包埋在尼龙套管中，钢丝绳运行将套筒的每个边缘放在四个芯的任一侧。该电缆的宽度约为5mm，厚度为1mm，与其他两条电缆一样，它仅在端部胶合到绞合线并间歇地支撑，以尽量减少电缆对接合的影响。所有梁的底部电缆都是低成本的电信级12芯带。将纤维作为环路安装在每个梁内，如图1所示。每个光束均以这种方式安装单个光纤电缆进行温度测量。在梁B1，B2，B5和B6中，两个用于总应变测量的光纤电缆安装在横截面的两侧，以下称为南北纤维（图3）。由于时间限制，梁B3中仅安装了一根总应变测量电缆。 在光束B4中，如前所述，沿着顶部线使用更坚固的光纤电缆，其中沿着底部使用电信级的12芯带状电缆。每个总应变测量电缆都安装有初始预张力，以确保电缆不会因施加的混凝土荷载或徐变而进入压缩状态。
四：部署时间线
表1给出了从梁B1和B6进行测量的日期，以及桥梁施工过程中的关键日期。沿梁B1的底部沿着梁B6的底部和顶部从北部纤维中读取。 由于下面讨论的鲁棒性问题，剩余光束中的光纤无法提供任何数据。
五：系统操作
这个监测活动的目标之一是确定标准的低成本电信级光缆是否可靠地用于测量混凝土梁的应变。不幸的是，在铸造和安装梁期间，这些电缆中的一些损坏了。图8示出了在铸造之前光纤电缆在模具中的位置，图9示出了完成的波束。电缆被证明在混凝土的浇注和振动期间易于破裂，结果在铸造过程中许多电缆被卡扣。其他纤维被损坏，当梁从预制场地运送到桥梁地点并提升到位。光束投射后，发现原来安装的光纤电缆总数中只有一半（21个中的11个）保持不变。然而，在运输和现场安装之后，这个数字已经下降到三分之一（21中的6个），意味着有几根没起到作用的光纤。尽管读数仍然可以沿着梁B1的底部以及梁B6的顶部和底部，但是这个数字已经减少到14％（21个中的3个）。在桥梁位置，另外的光纤电缆被拼接到进入每个梁的那些纤维和从金属保护管道从梁的端部向下的金属纤维被接合到安装在地面上的桥接台的表面上的金属盒，以提供读取时的纤维。标准电信级纤维用于所有梁，因为金属管道和箱体旨在提供足够的保护。然而，纤维在施工过程中容易受到损坏。金属盒也被破坏了许多场合，损害了更多的纤维。到2009年，梁B6中剩下的所有纤维都变得不可用了。显然，便宜的电信级光纤不够牢固，无法安装在具体结构中。然而，即使使用更昂贵，耐用的纤维，安装监控系统的总成本仍将仅为桥梁总成本的1％左右。如果系统可以向桥梁的所有者提供有用的信息，那么这个成本可能被认为是值得投资的。
5.1原始数据
BOTDR分析仪为连接到其上的每根光纤产生一个数据文件，该数据文件由纤维沿着每隔50毫米的1米长度平均的原始应变值（正值表示张力）组成。将这些原始值转换为可用的应变读数需要后处理。图10显示了梁B1的原始应变输出的一些曲线。[波束1-data.xlsx和波束6数据中的波束B1和波束B6呈现原始应变数据xlsx（Webb et al。2016）]。每行显示
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