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      預埋式光纖光柵溫度傳感器對橋梁高強混凝土施工階段截面溫度實時監測

      當自然環境溫度變化時,混凝土箱梁橋結構會產生變形和應力,這將直接影響混凝土結構的安全、耐久性和適用性。橋梁結構的實際溫度對橋梁的線形和內力有直接的影響,因此必須在施工過程中對橋梁結構的實際溫度進行監測,有效地掌握施工中溫度對橋梁應力監測結果的影響。

      Fiber Bragg Grating(FBG)傳感技術可以克服傳統監測技術存在的缺陷,該技術能夠滿足橋梁結構監測的分布式、高精度、遠距離和長期性的技術要求。由于使用光進行信號傳播,傳感器不再受噪聲的影響,并且具有較好的抗電磁干擾和防潮功能,從而可以為橋梁工程結構的健康診斷和安全監測提供更加先進的手段和方法。自1992年 FBG傳感器首次被埋入到混凝土內部進行監測之后,FBG傳感器在土木工程中的應用在國內得到了廣泛的探索和研究,從實驗研究拓展到橋梁、隧道等一些實際的工程結構。其中,利用光纖傳感器對大橋施工階段應力進行了實時監測,取得一定研究成果本文采用一種新型的埋入式不銹鋼套筒保護的FBG傳感器對大橋C60混凝土澆筑后水化熱溫度進行實時監測,在截面的翼緣、腹板和底板分別埋入了光纖溫度傳感器。詳細介紹了傳感器的安裝過程和監測過程,驗證了新型光纖溫度傳感器在復雜施工條件下的工作性能,同時監測了冬季施工過程中箱梁頂板、腹板和底板的水化熱溫度差異和變化規律,為在同類別的山區環境中的特大跨橋梁C60混凝土施工水化熱溫度場研究提供相應的參考。

      工程概況

      大橋處于多高山深谷且地勢陡峭的山區,其地質條件十分復雜,天氣變化不定,雨水偏多,施工困難。同時工程中橋梁現澆梁采用C60高標號混凝土澆筑,打破了同類型橋梁采用C55標號混凝土的常規。雖然混凝土強度僅提高5MPa,但是大大增加了混凝土施工控制和監測難度。為了監測橋梁施工過程中C60混凝土產生的水化熱和溫度變化對橋梁受力影響,采用預埋式光纖光柵傳感器對混凝土固化過程中和后期溫度的變化進行實時監測。

      基于光纖光柵傳感的箱梁溫度監測

      基于光纖光柵傳感器的溫度監測原理

      Bragg光纖光柵是由單模摻鍺光纖經紫外光照射成柵技術形成,當光纖光柵纖芯受到外界溫度或者應力的作用時,光柵的間隔將發生改變,從而引起反射回來的光波長發生變化。根據模耦合理論,一束寬帶光經過光纖光柵時,特定波長的光(波長為λB)會反射回來,其波長λB滿足Bragg定理:2.2 傳感器布置圖由于頂板寬度為12m,為主要的日照區,同時也是主要的受熱面和散熱面,采用等距離分布5個傳感器進行監測,腹板兩個,底板一個,一共8個溫度傳感器,分別編號為S1—S8。

      溫度監測結果變化規律

      截面局部溫度隨時間的變化規律

      大橋的混凝土澆筑時間為晚上,在完成澆筑后第二天早上開始對溫度進行監測。監測時間為早上8點開始,橋梁頂板外部溫度為2℃,天氣為晴轉多云,監測持續時間為6個小時,采樣頻率為2Hz。頂板的傳感器為編號分別為S1—S5,頂板S1側為上游方向,S5為下游一側。

      由于混凝土產生較大的水化熱,雖然外部室外溫度接近0℃,經過12h后,橋梁頂板溫度依然有將近31℃。通過擬合溫度時程曲線可以發現,溫度隨著時間線性下降。S2為頂板處,12#塊的頂板板厚度為45cm,可以發現頂板溫度降得比較快,擬合出的線性斜率為-7.3484,說明溫度隨時間的變化較快,在6h內溫度從27.5℃下降到25.0℃,溫度降低2.5℃。

      截面溫度縱、橫向分布變化規律

      對比在山區氣候條件下,河谷有比較大的風,這對混凝土水化熱的消散有很大的影響,萬龍山大橋的橋面寬12m,頂板的溫度差異受日照和風向影響?,F在將頂板的五個傳感器的監測溫度進行橫向對比,對比結果見圖4??梢园l現沿著橫向,頂板的溫度有較大的溫差,下游處的頂板溫度(S4和S5)比上游處頂板溫度高,最大差值約5.0℃,說明頂板的溫度分布差異性很大,主要原因為橋梁的下游側面先受太陽照射,而橋梁的上游側面為背陽面。

      將頂板、腹板和底板的溫度進行截面縱向對比,從對比結果可以看出,底板的溫度為25℃,頂板的溫度為31.0℃,腹板和頂板交接處的溫度最高為38.0℃。溫度的變化趨勢可以看出,頂板和底板的溫度變化率幾乎相同,S1和S6的溫度時程曲線幾乎平行,溫度緩慢下降,而S8基本上處于平穩狀態。

      通過采用預埋式光纖光柵溫度傳感器,對大橋施工階段C60高強度混凝土澆筑后溫度進行實時監測,主要監測內容為頂板、腹板和底板的溫度變化情況,監測時間長6h。

      主要結論有:(1) 混凝土澆筑后12h內,當橋梁外部溫度為0℃時,橋梁內的水化熱產生的溫度可以高達40℃,頂板溫度為30℃左右,底板溫度24℃左右,腹板和頂板交接處的溫度為40℃,腹板其他部位溫度和底板接近,為24℃。

      (2) 在山區施工的大跨混凝土橋梁,頂板溫度橫向分布有較大的差異,大橋頂板溫差為5℃左右,頂板溫度受日照影響明顯,靠近日照一側溫度最高,背陽面溫度最低,為24℃。

      (3) 溫度沿截面的豎向分布規律于混凝土的局部體積有很大關系,如頂板和腹板交接處溫度為整個截面溫度最高,為40℃左右;底板的溫度最低,其次為腹板其他部位, 然后為頂板溫度。

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      關鍵詞:

      光纖聯系

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