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预埋式光纤光栅温度传感器对桥梁高强混凝土施工阶段截面温度实时监测

当自然环境温度变化时,混凝土箱梁桥结构会产生变形和应力,这将直接影响混凝土结构的安全、耐久性和适用性。桥梁结构的实际温度对桥梁的线形和内力有直接的影响,因此必须在施工过程中对桥梁结构的实际温度进行监测,有效地掌握施工中温度对桥梁应力监测结果的影响。

Fiber Bragg Grating(FBG)传感技术可以克服传统监测技术存在的缺陷,该技术能够满足桥梁结构监测的分布式、高精度、远距离和长期性的技术要求。由于使用光进行信号传播,传感器不再受噪声的影响,并且具有较好的抗电磁干扰和防潮功能,从而可以为桥梁工程结构的健康诊断和安全监测提供更加先进的手段和方法。自1992年 FBG传感器首次被埋入到混凝土内部进行监测之后,FBG传感器在土木工程中的应用在国内得到了广泛的探索和研究,从实验研究拓展到桥梁、隧道等一些实际的工程结构。其中,利用光纤传感器对大桥施工阶段应力进行了实时监测,取得一定研究成果本文采用一种新型的埋入式不锈钢套筒保护的FBG传感器对大桥C60混凝土浇筑后水化热温度进行实时监测,在截面的翼缘、腹板和底板分别埋入了光纤温度传感器。详细先容了传感器的安装过程和监测过程,验证了新型光纤温度传感器在复杂施工条件下的工作性能,同时监测了冬季施工过程中箱梁顶板、腹板和底板的水化热温度差异和变化规律,为在同类别的山区环境中的特大跨桥梁C60混凝土施工水化热温度场研究提供相应的参考。

工程概述

大桥处于多高山深谷且地势陡峭的山区,其地质条件十分复杂,天气变化不定,雨水偏多,施工困难。同时工程中桥梁现浇梁采用C60高标号混凝土浇筑,打破了同类型桥梁采用C55标号混凝土的常规。虽然混凝土强度仅提高5MPa,但是大大增加了混凝土施工控制和监测难度。为了监测桥梁施工过程中C60混凝土产生的水化热和温度变化对桥梁受力影响,采用预埋式光纤光栅传感器对混凝土固化过程中和后期温度的变化进行实时监测。

基于光纤光栅传感的箱梁温度监测

基于光纤光栅传感器的温度监测原理

Bragg光纤光栅是由单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术形成,当光纤光栅纤芯受到外界温度或者应力的作用时,光栅的间隔将发生改变,从而引起反射回来的光波长发生变化。根据模耦合理论,一束宽带光经过光纤光栅时,特定波长的光(波长为λB)会反射回来,其波长λB满足Bragg定理:2.2 传感器布置图由于顶板宽度为12m,为主要的日照区,同时也是主要的受热面和散热面,采用等距离分布5个传感器进行监测,腹板两个,底板一个,一共8个温度传感器,分别编号为S1—S8。

温度监测结果变化规律

截面局部温度随时间的变化规律

大桥的混凝土浇筑时间为晚上,在完成浇筑后第二天早上开始对温度进行监测。监测时间为早上8点开始,桥梁顶板外部温度为2℃,天气为晴转多云,监测持续时间为6个小时,采样频率为2Hz。顶板的传感器为编号分别为S1—S5,顶板S1侧为上游方向,S5为下游一侧。

由于混凝土产生较大的水化热,虽然外部室外温度接近0℃,经过12h后,桥梁顶板温度依然有将近31℃。通过拟合温度时程曲线可以发现,温度随着时间线性下降。S2为顶板处,12#块的顶板板厚度为45cm,可以发现顶板温度降得比较快,拟合出的线性斜率为-7.3484,说明温度随时间的变化较快,在6h内温度从27.5℃下降到25.0℃,温度降低2.5℃。

截面温度纵、横向分布变化规律

对比在山区气候条件下,河谷有比较大的风,这对混凝土水化热的消散有很大的影响,万龙山大桥的桥面宽12m,顶板的温度差异受日照和风向影响。现在将顶板的五个传感器的监测温度进行横向对比,对比结果见图4。可以发现沿着横向,顶板的温度有较大的温差,下游处的顶板温度(S4和S5)比上游处顶板温度高,最大差值约5.0℃,说明顶板的温度分布差异性很大,主要原因为桥梁的下游侧面先受太阳照射,而桥梁的上游侧面为背阳面。

将顶板、腹板和底板的温度进行截面纵向对比,从对比结果可以看出,底板的温度为25℃,顶板的温度为31.0℃,腹板和顶板交接处的温度最高为38.0℃。温度的变化趋势可以看出,顶板和底板的温度变化率几乎相同,S1和S6的温度时程曲线几乎平行,温度缓慢下降,而S8基本上处于平稳状态。

通过采用预埋式光纤光栅温度传感器,对大桥施工阶段C60高强度混凝土浇筑后温度进行实时监测,主要监测内容为顶板、腹板和底板的温度变化情况,监测时间长6h。

主要结论有:(1) 混凝土浇筑后12h内,当桥梁外部温度为0℃时,桥梁内的水化热产生的温度可以高达40℃,顶板温度为30℃左右,底板温度24℃左右,腹板和顶板交接处的温度为40℃,腹板其他部位温度和底板接近,为24℃。

(2) 在山区施工的大跨混凝土桥梁,顶板温度横向分布有较大的差异,大桥顶板温差为5℃左右,顶板温度受日照影响明显,靠近日照一侧温度最高,背阳面温度最低,为24℃。

(3) 温度沿截面的竖向分布规律于混凝土的局部体积有很大关系,如顶板和腹板交接处温度为整个截面温度最高,为40℃左右;底板的温度最低,其次为腹板其他部位, 然后为顶板温度。

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