使用安装在受压区的光纤传感器 监测钢筋混凝土梁的受剪行为

《Sensors》：Monitoring the Shear Behavior of Reinforced Concrete Beams Using Fiber Optic Sensors Installed in the Compression Zone

　　

有多种测量系统可用于监测存在受剪承载力不足的既有混凝土桥梁。除现有系统外，光纤传感器 在结构健康监测 方面展现出巨大潜力。然而，FOS 通常安装在受拉区，在正常使用荷载下该区域也可能产生裂缝，这增加了传感器失效的风险，并可能导致测量能力丧失。显著降低该风险的一种可行方法是将 FOS 安装在受压区。然而，目前尚不清楚从受压区 FOS 获得的测量数据是否可用于评估钢筋混凝土梁的承载力和变形行为，以及它们与受拉区测量结果的关系。为了解决这一问题，研究人员对实践中常用的受剪配筋率的钢筋混凝土梁进行了受剪试验。实验结果表明，在正常使用荷载下，安装在受压区和受拉区的 FOS 测量结果高度一致。此外，研究结果以及与剪切破坏和弯曲破坏相关的特征应变分布图，为评估使用 FOS 监测的既有结构提供了基础。

研究背景、存在问题与开展研究原因
德国、美国等国家的许多既有桥梁因老化、交通荷载增加和设计规范修订而面临承载力不足的问题。当发现受剪承载力不足时，由于缺乏可靠的数据来准确预测临界剪切裂缝的发生和位置，往往倾向于拆除重建。然而，全面更换桥梁成本高昂、审批流程长、严重阻碍交通，且伴随着大量的材料消耗和二氧化碳 (CO₂) 排放，因此在短期内全面替换所有问题桥梁几乎不可行。除了采用钢材、碳纤维增强聚合物条带或碳混凝土等加固方法外，采用光纤传感器 结合合适的监测概念成为一种短期内可行的解决方案，旨在延长桥梁使用寿命。在桥梁监测中，由于临界剪切裂缝的确切位置通常未知，传统的应变计 (SG) 因测量长度有限而在监测桥梁受剪行为时存在局限性。FOS 能够以高空间分辨率检测极小的应变变化，提供沿整个传感器长度的准连续测量，从而克服了这一限制。然而，FOS 的主要缺点是传感器光纤即使在较小的裂缝宽度下也容易断裂。一旦在裂缝处断裂，通常无法记录整个长度的测量数据。因此，在结构受拉区或预期出现大裂缝的区域布设传感器光纤是不明智的。基于此，将 FOS 直接应用于桥梁受压区的新颖设想应运而生，但目前尚不清楚受压区测量结果能否用于评估承载力和变形行为，以及其与受拉区测量的关系。为此，研究人员开展了一项针对钢筋混凝土梁的受剪试验研究，验证了在正常使用荷载下两区测量结果高度一致。该研究结果为评估既有结构的监测提供了基础，相关论文发表在《Sensors》期刊上。

主要技术方法概括
样本队列来源于研究团队在 TU Braunschweig 的 iBMB 混凝土工程部门按欧洲规范设计制作的6根普通强度混凝土梁。这些梁具有不同的受剪配筋率，涵盖无配筋以及1至4倍最小受剪配筋率 (ρ_w,min)。研究人员采用三点弯曲试验施加单调递增荷载直至破坏。测量系统采用 LUNA ODiSI 6104 询问器，基于光频域反射 (OFDR) 技术，使用聚酰亚胺涂层光纤以1 Hz采样频率和0.65 mm测点间距进行数据采集。FOS 分别布设于受压区混凝土表面和受拉区底部纵向钢筋上，并辅以 SG 和位移传感器 (DT) 进行数据验证。

研究结果
4.1 破坏模式
通过三点弯曲试验得出：无受剪钢筋的梁及较低配筋率的梁发生脆性剪切破坏，表现为临界剪切裂缝或伴随箍筋屈服；而较高配筋率的梁发生延性弯曲破坏，表现为纵向钢筋屈服。力-挠度曲线显示剪切破坏时曲线急剧下降，弯曲破坏时曲线出现平台段。

4.2 测量数据分析
4.2.1 评估方法概述
通过分析0%、约30%、约80%和100%破坏荷载阶段的应变分布图，并在开裂状态II和线性弹性材料假设下计算出理想应变分布图进行对比。

4.2.2 受拉区应变测量
通过对比 FOS、SG 和计算的应变分布图得出：在约30%破坏荷载时钢筋应变分布相似，而在约80%破坏荷载时，较高配筋率的梁出现荷载重分布。发生剪切破坏的梁在支座附近出现大应变集中，表明剪切裂缝形成导致脆性破坏；而发生弯曲破坏的梁则表现为应变持续增加。FOS 测得的应变集中与裂缝模式高度对应，证明受拉区 FOS 适用于裂缝早期检测。

4.2.3 受压区应变测量
通过受压区 FOS、SG 和理想应变分布图对比得出：应变分布与弯矩图相符。由于混凝土非均质性，数据存在局部离散，通过九点平均进行平滑处理。受压区 FOS 也能检测到应变集中，尤其在裂缝初始阶段和跨中位置与裂缝模式具有对应关系。但由于裂缝倾斜延伸，应变集中不一定位于裂缝正上方，因此无法通过受压区 FOS 可靠预测破坏。

4.3 早期破坏检测结果评估
通过分析测量数据得出：受拉区 FOS 能在约63%破坏荷载时通过支座附近纵向钢筋应变显著增加检测到压力拱形成，为剪切破坏提供早期预警。而受压区 FOS 无法提供剪切破坏预警，但能检测到基本变化以推断承载行为。假设将 FOS 沿压力拱轨迹布设可能获得更准确的结果。

讨论与结论总结
讨论部分指出，有效的监测需结构在破坏前表现出足够的预警行为。欧洲标准根据受剪配筋率 (ρ_w) 将结构行为分为桁架模型和压杆-拉杆模型。研究结论翻译如下：
- 安装在底部纵向钢筋或受压区的 FOS 能够以极高的空间分辨率在长测量距离上监测混凝土桥梁的基本承载行为。
- 安装在受拉区的 FOS 能够实现早期裂缝检测并可靠识别结构内的荷载重分布。
- 安装在受压区的 FOS 也能检测结构内部的荷载重分布，且由于失效概率极低，能够可靠地长期监测承载行为的变化。然而，它不能为即将发生的剪切破坏提供可靠的早期预警，且将应变集中明确归因于单个裂缝仅部分可能。
- FOS 的稳健性对长期监测任务尤为重要。受压区的 FOS 比受拉区的 FOS 具有更强的抗失效保护。但在现场条件下确认其长期适用性仍需进一步研究。
- 在任何测量开始前，必须制定针对特定问题的监测策略，普遍适用的标准传感器布置是不可行的。必须首先分析预期的破坏模式并识别早期预警指标。本文提供了梁受拉区和受压区 FOS 在剪切和弯曲破坏下的特征传感器特征，为解释和评估测量数据提供了宝贵指导。
- 未来需进一步研究循环交通荷载、环境暴露和胶粘剂老化对长期性能的影响，并实现数据评估的自动化。