[分享]异于传统的结构健康监测利器

发表于2019-11-05     94人浏览     1人跟帖     总热度:142  

确保当前基础设施的安全性和可靠性,是当今我们必须要面对的,因为它比以往任何时候都更加迫在眉睫。为了不对气候变化产生更大的影响,并与可持续的经济和环境政策保持一致,最大限度地发挥已经存在的基础设施的能力并发掘其潜力,至关重要。目前大多数建筑物都是在第二次世界大战后建设热潮期间建造的。然而现在,这些建筑物已经到了使用寿命的终点。

老式的监测方法

结构健康监测(SHM)在过去几十年中得到了广泛的研究。SHM对现有结构的优化评估和维护政策非常重要。尽管如此,SHM尚未在土木工程基础设施中得到大规模和系统的应用。这主要是由于缺乏可靠且价格合理的通用监测解决方案。过去最常用的SHM方法是基于电应变传感器、加速度计、倾斜仪等,这些方法在应用于实际结构时遇到了一些挑战。直到最近几十年,SHM的解决方案都是基于使用离散传感器,收集和进一步分析有限的实验数据量,以及结合现场数据的记录和手动或半自动的后处理使用。在动态SHM的情况下,大多数方法都是基于模态参数的识别和比较。

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图1 西班牙塞维利亚市的Alamillo斜拉桥

这种“老式”程序的一个例子是1992年,在Alamillo斜拉桥(图1) 施工和初始服务期时布置的SHM,但直到最近几年仍在使用。仪器和采集系统布置在这样一个重要的斜拉桥上,而且这又是第一次使用无背索的斜拉桥设计,因此必须对建筑和服务阶段进行全面监控。如图2显示,包括塔顶的一组三轴加速度计和桥面板上的三个单轴加速度计。在加速度传感器的信号放大后,通过使用双通道示波器,“现场”对数据进行部分检查,然后以简单的方式进行数字化和记录,以便在办公室进行进一步的全面检查和分析。

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图2 OBR传感器的加载布置和位置

随着传感技术的快速发展,在未来,数据分析和数学工具(大数据软件)将会用在结构健康监测中。例如,利用分布式传感器和传感器网络,可以在每个实验设置中获得大量的数据,这些数据可以通过远程和无线通信进行轻松的传输。获得的海量信息需要大数据进行处理,包括数据驱动方法、模式识别、聚类方法、神经网络和遗传算法等。此外,正在广泛研究使用不同于模态参数(固有频率、模式形状和阻尼)的振动参数作为损伤识别的特征。

为了便于在桥梁服役条件下全面实施SHM,其新趋势仍在研究中。而基于分布式光纤传感器(DOFS)的分布式传感技术,是目前最有前途的传感技术之一。

分布式光纤传感器

光纤传感器(OFS)采用分布式方式,与其他OFS具有相同的优势,即较高的稳定性、耐用性,且体积小、抗外部电磁干扰能力强。在大型结构的监测中,可以提供结构精确、同时连续监测数千个点的能力,由于使用单个传感器,操作简单、成本低。

其工作原理是:在监测环境发生应变和温度变化时,光纤内的散射信号将发生变化,从而实现分布式传感。散射是真正分布式光纤传感器的起源,它可以简单地定义为光与光学介质之间的相互作用。在DOFS中可以产生三种不同的散射过程,具体来说是:拉曼散射、布里渊散射、瑞利散射。然而,最大的挑战是开发这些具有适当灵敏度和空间分辨率的传感器。

基于布里渊散射的多自由度测量系统,由于其测量范围很大,对于大跨度桥梁、隧道、管道和水坝等大型结构的监测非常有用。该技术具有相当低的空间分辨率,仅为1米,这极大地限制了基于这种散射系统进行的损伤检测。另一方面,基于瑞利散射的光学背散射反射计(OBR)技术,可以提供高灵敏度和亚毫米级的空间分辨率,能够检测、定位和量化损伤。该技术包括测量信号的频率响应,其光学频率能够扩展到几十纳米的带宽内进行线性扫描。

OBR在土木工程混凝土结构健康监测中的应用,引起了人们的极大兴趣,因为在这种类型的结构中,不可能准确地预测出每个可能产生的裂缝的确切位置,这样就避免了严重的裂缝产生。然而,由于混凝土的特性(材料的粗糙度和不规则性),如果没有适当的布置和粘合技术,则不能保证传感器与被监测结构之间的完全粘合,以及从基材到传感器的正确传输。一些研究已经解决了在静态载荷下,DOFS正确地发挥粘合特性和执行粘合程序,以及疲劳的问题。

实验室测试

在将DOFS应用于实际结构之前,对其可靠性和性能进行了两次试验研究,目的是检验对混凝土构件弯曲和剪切裂缝进行监测的可行性。

弯曲试验

OBR测量系统被安装在加泰罗尼亚技术大学(Technical University of Catalonia)结构技术实验室的一块混凝土板中。钢筋混凝土板长度为5.6米,宽度1.60米,厚度0.285米。板的两端按照简支梁进行约束,并且在板的跨中位置使用1MN容量的控制器施加载荷。然后在板的顶部和底部表面用OBR传感器进行监测。

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图3 传感器1和2的位置
(左:板正面,右:板底部和中部)

使用的光纤是长度为50米的单模光纤(SMF)。为了纤维免受划伤和环境破坏,一种聚合物(聚酰亚胺)涂层被用来保护纤维。首先,清洁粘合区域,洗净并去除油脂。将一种工业胶水涂在粘合区域,即混凝土表面上,但注意不要施加过量的粘合剂。所用的胶水为单组分(不混合)化学型氰基丙烯酸乙酯,具有低黏度。操作过程中避免使用刷子涂抹粘合剂。

接下来,用动态应变仪对混凝土板中的钢筋进行监测,线性位移传感器(LVDT)测量板的中心和两端的挠度,磁传感器“Temposonics”记录混凝土板中的接缝开口,其目的是将DOFS的结果与标准仪器提供的结果进行比较,用于裂缝宽度的评估。

测试包括通过钢架上的液压千斤顶增加荷载,直到板发生破坏。在加载过程中,OBR系统测量了沿板的应变分布。实测结果与分析预测结果吻合较好,在50KN处(与理论开裂荷载相对应)的跨中位置,首先出现明显的应变分布峰值。峰值的位置与试验中肉眼观察到的裂纹位置相当吻合。

在此基础上,结合应变计和LVDT标准监测的其他实验结果,提出了一种获得平均裂缝宽度的方法。实际上,通过得到混凝土表面沿纤维方向的应变,可以得到平均裂缝宽度的表达式。该方法是基于对沿特征长度L的实验应变分布进行积分。为了整合并获得平均应变,应变分布由对应于混凝土抗拉强度值的应变给出。这是裂缝出现的应变值。在该标准下,首先取一段长度为L的裂缝,从总应变曲线下的面积积分得到平均应变。该平均应变由两个组成部分:一是混凝土开裂前的变形,二是开裂区域的裂缝初始变形。因此,可以计算出裂缝区域中所有裂缝的宽度之和。最后,定义平均裂缝宽度。

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图4 对受剪切的混凝土构件进行裂缝监测

该方法可以应用于不同的荷载水平,以便了解裂缝宽度随荷载增加的变化规律。通过裂缝宽度传感器在跨中实验获得的平均裂缝宽度,与用OBR系统记录的不同荷载水平下得到的平均裂缝宽度作比较,如表1所示。表1中第2列和第3列的值分别为传感器1和2的值。这些传感器位于横截面的两个不同点上,一个靠近板的边缘,另一个靠近中心的位置。因此,在第4列中计算了这些值的平均值,作为被调查的断面裂缝宽度的代表。

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需要注意的是,这种比较只在跨中进行,因为这是唯一一个使用传感器测量裂缝开口(Temposonics)的截面。结果表明,该方法与实验结果吻合较好。

剪切试验

在受剪切的混凝土梁中,斜裂缝的倾斜角度是难以预测的。因此,由于斜裂缝不垂直于竖向和横向配筋,混凝土梁的斜裂缝机理,比轴向力或弯曲引起的裂缝更为复杂。与弯曲情况相比,在梁轴线上出现垂直裂缝的情况下,在剪切作用下,裂缝的倾角对裂缝宽度是一个额外的未知因素。因此,只在一个方向上布置单个DOFS是合适的,因为这个方向是未知的。解决方案可以是在正交方向上布置2个DOFS。通过一系列纤维检测裂纹,可以得到裂纹的发展过程,从而确定裂纹的方向。为了验证该方法的可行性,在随后的实验室试验中也采用了DFOS方法,对一组跨度为8米的部分预应力混凝土(PPC)梁施加剪切破坏。使用传统的离散仪器,对混凝土构件的剪切裂缝模式进行表征,可能是一个非常复杂甚至不可能的问题。

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图5 剪切破坏试验装置

由于剪切开裂情况下裂缝倾角未知,因此采用基于OBR的DOFS,对3段PPC梁进行测量。从图中可以看出,位移传感器输出的应变曲线,在水平、垂直和倾斜方向上的展开情况,目的是将DFOS的剪切裂缝宽度结果,与传感器提供的结果进行对比。

在加载试验中,通过分析应变,对纤维的每一段进行划分,可以通过将其与DOFS获得的应变峰值对应,来确定不同裂纹的位置。由于获得了高空间分辨率的水平和垂直测量值,初步获得了剪切裂缝形态的痕迹。OBR系统得到的结果,与荷载试验过程中目测到的现场剪切裂缝形态吻合较好。

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与弯曲的情况类似,基于DOFS在水平和垂直方向上获得的应变分布结果,开发了一种计算剪切裂缝宽度的方法。OBR法得到的平均剪切裂缝宽度和I-2梁腹板上的位移值,如表2所示。并考虑对角线电位计D1和D2进行比较。一般来说,在每种仪器中得到的裂纹宽度的大小顺序是相似的,特别是在裂纹宽度开始增大的载荷水平下。需要考虑的是,结果的比较只能在位移所覆盖的总裂纹区域内取平均值。

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图6 OBR系统给出的裂纹形态结果与现场试验的结果相吻合

实际应用案例

在实验室对受弯剪作用的混凝土构件进行裂缝监测时,DOFS性能表现良好,并将该监测技术应用于巴塞罗那的两个实际结构中。一个是砖石结构,另一个是预应力混凝土桥梁。在这两种情况下,在修复或加固工程中监测结构,并使用DOFS作为监测技术的理由是,结构的某一部位可以提供精确的信息,并且灵敏地反映结构中的重要变化,虽然这可能会给操作者带来不安全的情况。但是应该考虑到在这两种情况下,这些结构都必须在维修工程期间继续使用。在开发这类传感技术时,将通过实验室试验获得的知识,转移到现实世界的情景中,总是很重要的。

圣保罗医院
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图7 圣保罗医院主楼景观
(联合国教科文组织世界遗产)

一个有趣的应用是DOFS在历史遗迹中的使用。如本例中所示,这座被联合国教科文组织认可的世界遗产——圣保罗医院,也是加泰罗尼亚建筑在现代主义运动中的一个精美范例。经过多年的运营,由于其中一层的一些砖砌石柱出现裂缝,特别是两根柱子上出现了危险的损坏迹象,因此其结构的特性引发了人们的关注,并决定更换它们。由于上述楼层是为术后进行康复的病人提供的地方,在修复工程进行期间也不能疏散病人,因此有必要在大楼正常服役的情况下进行加固工作。传统的离散监测传感器(应变仪、LVDT)难以实现对所有受影响区域的连续监测。因此,为了分析和监测在更换过程中,柱子支撑楼板的正确应力分布,以一种经济有效和真正分布的方式,在楼板中布置了一个DOFS,由砌体砖制成。否则,将需要大量的、负担不起的传感器。DOFS监测系统被放置在一个对运动演化、裂缝形成和扩展敏感的重要区域。因此,以空间分辨率为1厘米,一个有5000个传感点的长50米的分布式光纤,对上述柱子的顶面进行了连续的监测。

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图8 DFOS粘结在砌体屋面底部

有了这种解决办法,就有可能监测出由于移出和更换柱子时所引起的应力变化,并评估整个作业的安全性和稳定性。例如,图9显示了5000个监测点之一的应变随时间的变化。从应变谱中可以看出拆除和更换作业的时间。同时,整个施工过程中应变增量较低,说明在控制范围内的修补作业和砌体材料的最大允许应力,在任何时候都没有超出范围。

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图9 穹顶1点的应变随修复活动的演化

萨拉热窝桥(巴塞罗那)
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图10 位于巴塞罗那北部入口的萨拉热窝大桥

通过基于OBR的DOFS,对位于巴塞罗那市主要入口之一的预应力混凝土桥进行了监测。该桥是一个双跨简支的桥梁,跨度分别为36米和50米。每个跨度由三片预应力混凝土小箱梁组成,桥面板为钢筋混凝土板。

为了进一步增加行人流量和通行能力,以及考虑桥梁美学,决定增大桥面板。这一过程还包括为行人增添金属网架保护装置。工程于2015年夏季开始。由于桥梁位于城市的一个主要入口处,每天的交通量较大,关闭桥梁进行桥面拓宽是不可取的。此外,由于在高峰时间进入城市的交通流量很大,无法关闭任何现有的桥下交通车道以提供临时支持。由于桥梁的荷载模式发生变化,缺乏临时支撑。在拓宽操作期间,有可能在材料中引起应力变化。因此,当局决定进行监测,以检测桥梁结构行为的重大变化,并获得信息,以评估施工期间和结束时的结构安全性。为了尽可能多地监测桥梁情况,在对可能的应力增量和开裂更敏感的区域内粘合了两个传感器。在这个应用中,两个50米长的光纤(其中36米与结构连接,其余部分没有粘接以获得温度补偿效果)被布置在荷载最大的箱梁内。放大过程和随后的监测期延长至几个月,从2015年夏季开始到2016年冬季结束,环境温度变化非常显著。因此,主要的挑战是去除温度效应之后,分析DOFS中获得的大量数据。

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图11 萨拉热窝桥上基于DOFS的OBR总体方案

为了更好地观察应变分布,对传感器DOFS2的S1、S2、S3和S4段的物理应变进行了空间平均,并绘制在图12中。在S1区段中,平均物理应变值,低于通常存在于其余的DOFS长度中的应变值。这种下降是由于支撑系统(弹性连接)对桥梁运动学的影响。箱梁其余部分的平均应变分布基本一致。这意味着施加在桥面上的,能够产生沿桥底应变变化的力非常小,因此应变的变化主要是由于箱梁在夏季到冬季温度下降时存在均匀的收缩。因此,通过使用这种特定的监测系统,可以评估在没有引起桥梁应力状态的显著变化的情况下,由于桥面扩大所引起的应力变化。此外,监测系统没有检测到裂纹。

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图12 传感器DOFS2中应变(温度补偿后)
沿监测梁不同截面随时间的演化

在实验室和实际结构中的经验,已经显示出使用新型DOFS的可能性,这成为在大型结构的SHM中使用分布式传感器的新趋势。
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 发表于2019-11-05   |  只看该作者       筑龙币+10

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