光纤Bragg光栅应变测试技术在大型振动台模型试验中应用

陈 苏，陈国兴，徐洪钟，戚承志，王志华

(1.南京工业大学 岩土工程研究所,南京 210009；2.江苏省土木工程防震技术研究中心,南京 210009；3.北京建筑工程学院 土木与交通工程学院,北京 100044)

目前，我国已有34个城市已建或获批地铁建设规划，地铁建设已成为解决大城市交通拥挤的有效途径。地铁车站为地铁的交通枢纽，人员密集度高，一旦遭遇破坏将会造成重大人员伤亡及财产损失，且修复难度大。1985年Ms8.1级墨西哥地震、1995年Ms7.2级日本阪神地震，使墨西哥城、神户的地铁区间隧道及地下车站结构发生严重震害现象。由于缺乏(现场实测数据，已对不同场地条件、截面形式、模型材料的地下结构抗震性能进行研究[1-7]，试验所得数据对促进地下结构地震反应分析理论及数值分析方法的进步有较大帮助。对大型振动台试验而言，镀锌钢丝应变测试技术难点在于钢丝直径太小，无法满足粘贴应变片基体尺寸要求，较难深入研究模型结构中镀锌钢丝与微粒混凝土或石膏的协同工作关系，难以科学解释地下车站结构地震损伤及灾变的内在机理。

光纤光栅传感技术作为迅速发展的新型传感技术被应用。光纤Bragg光栅是目前最成熟、应用最广泛的光纤光栅传感技术，其优点为：① 形态纤细，裸光纤直径仅125 μm，可测试相似比缩尺后小尺寸基体材料振动反应；② 抗干扰能力及信号稳定性强；③ 耐腐蚀性、耐久性优于传统传感器，更适合于恶劣试验条件。本文试验采用自行封装、保护的裸光纤Bragg光栅完成地震动作用下模拟钢筋镀锌钢丝的动应变测试。

1 三拱立柱式地铁车站振动台试验方案简介

本次振动台试验所用地基土模型土箱及动态信号采集系统见文献[8-9]。据Bukingham π定理设计相似比，模型结构选长度、弹性模量、加速度为基本物理量；模型地基选剪切波速、密度、加速度为基本物理量，按量纲分析原则推导其余各物理量相似比关系。模型地基-模型结构体系各物理量相似比见表1。采用水沉法分层制备模型地基土，表层为厚15 cm粘土，其下为厚125 cm的饱和南京细砂。模型地基土在饱和状态下静置7天使其固结；模型结构微粒混凝土配合比为水：水泥：石灰：粗砂=0.5：1：0.58：5，模拟钢筋的镀锌钢丝直径0.7～1.2 mm(箍筋：0.7 mm，柱、拱1.2 mm)，模型结构端头用10 mm厚有机玻璃封口，有机玻璃与模型结构用环氧树脂胶结；考虑模型结构与原型结构的惯性力匹配，采用不完全配重法及集中质量配重，在模型结构表面粘贴铅块236 kg，占完全配重的40.6%；模型结构及配重布置见图1。振动台试验输入地震动为5.12汶川大地震近场地震动什邡波、远场地震动松潘波及中远场地震动Taft波，地震动特性见文献[5]，加载工况见表2。

图1 三拱立柱式地铁车站模型结构及配重布置

表1 模型地基-模型结构体系相似关系及相似比设计

表2 地铁车站结构振动台模型试验加载工况

2 光纤Bragg光栅应变测试原理及试验方案

2.1 光纤Bragg光栅应变测试原理

光纤Bragg光栅工作原理见图2。利用光纤材料的光敏性在纤芯内形成空间相位，光栅作用的实质为在纤芯内形成窄带滤波器或反射镜，使光在其中的传播行为得以改变与控制[10]，通过光谱分析反射光谱及透射光谱中心波长的改变量，据标定关系间接获取目标测试物理量。大型振动台试验工况下，地震动引起光栅Bragg波长移位，导致光栅周期Λ变化，光纤本身具有的弹光效应使有效折射率neff随外部地震动激励的改变而改变，光栅Bragg波长移位表达式为

λB=2neffΛ

(1)

式中,λB为入射光通过光纤Bragg光栅反射的中心波长；Λ为光栅周期；neff为光纤纤芯针对自由空间中心波长折射率。

据已有研究[11]，光纤光栅弹光效应单位纵向应变引起的波长移位为1.22 pm/με，因此中心波长改变量与应变值标定关系换算式为

ε=ΔλB×1 000/1.22

(2)

式中,ε为应变值；ΔλB为中心波长改变量。

图2 光纤Bragg光栅传感工作原理图

2.2 镀锌钢丝应变测试方案

试验及震害调查表明[3-7]：地震作用下地铁车站的中柱易损伤或破坏，因此，本次试验测试对象选取中柱；模型结构纵轴向三跨，选取模型结构中跨中柱为应变测试观测面，布设4个光纤Bragg光栅测点。传感器编号G代表光纤Bragg光栅，S代表应变片。应变测试截面见图3，传感器布设见图4。右侧中柱Z2顶端、中部及底端依次采用光纤光栅(测点G1、G2、G3)测试镀锌钢丝应变时程，采用应变片(测点S1-7、S1-8、S1-9)测试对应位置微粒混凝土应变时程，比较两者差异性分析其协同工作关系；左侧中柱Z1顶端设置光纤光栅测点G4及应变片测点S1-1，用以对比左、右侧中柱应变反应差异性。

试验中模拟钢筋的镀锌钢丝直径微小，应变片及常规传感器均不能满足测试要求，故用裸光纤Bragg光栅进行测试。裸光纤形态纤细，易拉断、折断，因此试验中需对其进行封装、保护，以保证光纤Bragg光栅的存活率；封装保护致使感受外界因素变化的纤芯与被测对象间产生中间层。据已有对中间层研究[12]及镀锌钢丝直径较小(1.2 mm)情况，采用粘贴式封装方法见图5。粘贴前，先用酒精清理测试点杂质，再用502胶将Bragg光栅段粘贴于测点，待胶凝固后，用环氧树脂封装应变测点处光栅段。光栅段两侧光纤按相同方法粘贴在测点两侧的镀锌钢丝上，以避免光纤段拉扯脱离镀锌钢丝表面；待胶水凝固后，光纤引线套入细套管中，进行一次保护；为防止浇筑微粒混凝土过程中破坏光纤引线，将穿越微粒混凝土段的光纤引线用铠装光缆进行二次保护。

图3 模型结构应变测试观测面

图4 地铁车站模型结构观测面应变测点布置图

图5 光纤Bragg光栅封装示意图

光纤Bragg光栅应变测试流程见图6。振动引起的光纤Bragg光栅中心波长改变量信号，通过光纤传至动态光纤光栅传感解调仪MOI SM130中，将中心波长改变量转化成应变信号，解调后数据通过以太网实现与电脑终端数据传递。

图6 采用光纤Bragg光栅测试应变流程图

3 试验结果与分析

3.1 镀锌钢丝应变反应规律

什邡地震动作用下模型车站结构中柱顶端、中部及底端镀锌钢丝应变时程曲线见图7。由图7看出，随输入地震动峰值加速度的增大，镀锌钢丝各测点应变峰值均有所增加；右侧中柱柱顶G1峰值应变大于柱底G3峰值应变，中部G2峰值应变远小于柱顶G1及柱底G3。其原因可解释为：三拱立柱式地铁车站属柱承重模式结构，而其地震响应主要受周边土体位移控制，模型地基顶部位移较大。在水平向地震动作用下，模型结构中柱柱顶承受弯曲应力更大，从而使柱顶峰值应变大于柱底峰值应变；而中柱中部近似为构件的反弯点位置，附加弯曲应力最小。

模型结构左、右侧中柱柱顶测点G4、G1应变反应呈现轻微不对称性。其原因为输入地震动激励不对称性及场地液化后孔压消散导致模型地基不均匀沉降，使模型结构产生一定程度倾斜、扭转现象。

图7 什邡地震动作用下光纤Bragg光栅所测中柱镀锌钢丝各测点应变时程曲线

3.2 光纤Bragg光栅与应变片应变测试结果对比

3.2.1 Mann-Whitney U非参数检验方法

信号处理方法较多运用在机械状态监测与故障诊断及经济、环境等领域[13-16]。本文采用两独立样本的非参数检验方法，即Mann-Whitney U检验对光纤光栅测试结果及应变片测试结果进行定量分析，通过目标样本的秩推断两样本分别代表的总体有无差别。以峰值加速度0.1 g松潘地震动作用下右侧中柱顶部镀锌钢丝测点G1与微粒混凝土测点S1-7应变测试结果为例，论述其原理。建立检验假说H0：地震动作用下，镀锌钢丝应变与微粒混凝土应变总体分布相同；H1：地震动作用下，镀锌钢丝应变与微粒混凝土应变总体分布不同。确定显著性水平为双尾α=0.05，若检验系数P小于0.05，则说明两者存在显著性差异。将光纤光栅测试样本(测点G1共13 800个测试值)与应变片测试样本(测点S1-7共13 800个测试值)混合，将混合样本按大小排列并编秩。测试值的最小值秩为1，最大值秩为27 600。分别计算光纤光栅测点G1各测试值对应秩的和、应变片测点S1-7各测试值对应秩的和，获得光纤光栅测点G1各测试值的平均秩为13 839.05，应变片测点S1-7各测试值的平均秩为13 762.95，查表得P值为0.428，大于显著性水平0.05，即：在概率0.05水平上，接受H0，两种应变测试方法所测应变分布无显著差异，光纤与应变片测试信号时程见图8。由图8看出，两种测试方法结果较一致。

3.2.2 镀锌钢丝与微粒混凝土协同工作关系分析

本文用数据挖掘软件Spss实现非参数检验Mann-Whitney U方法。由表2知，在不同地震动作用下，模型结构柱顶、柱底位置处检验系数P均大于0.05，在概率0.05水平上均接受H0，拒绝H1；由统计学角度，镀锌钢丝应变与对应位置微粒混凝土应变分布相同，两者无显著性差异。中柱位置处，光纤测试结果与应变片测试结果对比见图8，由8图知，应变片测试结果与光纤Bragg测试结果幅值基本相同，曲线形态基本一致；在振动初始阶段，用光纤Bragg光栅测试的信号“毛刺”较少；镀锌钢丝未出现应变突增现象。由力学角度可判断，振动台试验过程中模型结构中柱镀锌钢丝与微粒混凝土处于协同变形阶段，微粒混凝土柱未出现贯通裂缝，模型结构处于弹性或轻微损伤工作阶段。对中柱中部小应变区域，仅在峰值加速度0.5 g的什邡地震动作用下，P值大于0.05。由统计学角度，两者应变形态分布不同，存在明显差异。由图9看出，光纤Bragg光栅测点G2所测应变形态优于应变片测点S1-8测试结果，此因地震模拟系统本身电磁干扰较大，而采用应变片测试存在易受噪声干扰、捕捉较弱信号能力较差等问题；光纤Bragg光栅具有强抗电磁干扰能力，在一定程度上克服了系统本身的应变测试误差，并在弱信号捕捉上具有先天优势。因此，在大型振动台模型结构试验中，建议对测试精度要求较高或信号较弱的测试部位，采用光纤光栅传感测试技术。

表3 不同地震动作用下Mann-Whitney U检验P值

图8 不同地震动作用下中柱镀锌钢丝及微粒混凝土应变时程曲线

图9 不同地震动作用下中柱中部镀锌钢丝及微粒混凝土应变时程曲线

4 结 论

通过可液化场地的三拱立柱式地下地铁车站结构非破坏性大型振动台模型试验，采用光纤Bragg光栅测试镀锌钢丝的应变时程、应变片测试对应位置微粒混凝土应变时程，运用Mann-Whitney U方法定量分析镀锌钢丝与微粒混凝土的相互协同工作关系，结论如下：

(1) 模型结构中柱顶部、底部位置处，镀锌钢丝应变测试样本与微粒混凝土应变测试样本非参数检验系数P均大于0.05，两者无明显差异，结构处于弹性或轻微损伤工作阶段。

(2) 中柱中部位置光纤Bragg光栅测试的应变形态显著优于应变片测试结果。振动台模型试验中，小尺寸基体或电磁干扰较大、信号强度较弱的目标测试部位宜用光纤光栅传感测试技术。

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