預(yù)埋式光纖光柵溫度傳感器對(duì)橋梁高強(qiáng)混凝土施工階段截面溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

當(dāng)自然環(huán)境溫度變化時(shí)，混凝土箱梁橋結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變形和應(yīng)力，這將直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全、耐久性和適用性。橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際溫度對(duì)橋梁的線形和內(nèi)力有直接的影響，因此必須在施工過(guò)程中對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有效地掌握施工中溫度對(duì)橋梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。

Fiber Bragg Grating（FBG）傳感技術(shù)可以克服傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的缺陷，該技術(shù)能夠滿足橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的分布式、高精度、遠(yuǎn)距離和長(zhǎng)期性的技術(shù)要求。由于使用光進(jìn)行信號(hào)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(jié)構(gòu)的健康診斷和安全監(jiān)測(cè)提供更加先進(jìn)的手段和方法。自1992年 FBG傳感器首次被埋入到混凝土內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測(cè)之后，F(xiàn)BG傳感器在土木工程中的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)得到了廣泛的探索和研究，從實(shí)驗(yàn)研究拓展到橋梁、隧道等一些實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)。其中，利用光纖傳感器對(duì)大橋施工階段應(yīng)力進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(hù)的FBG傳感器對(duì)大橋C60混凝土澆筑后水化熱溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(xì)介紹了傳感器的安裝過(guò)程和監(jiān)測(cè)過(guò)程，驗(yàn)證了新型光纖溫度傳感器在復(fù)雜施工條件下的工作性能，同時(shí)監(jiān)測(cè)了冬季施工過(guò)程中箱梁頂板、腹板和底板的水化熱溫度差異和變化規(guī)律，為在同類別的山區(qū)環(huán)境中的特大跨橋梁C60混凝土施工水化熱溫度場(chǎng)研究提供相應(yīng)的參考。

工程概況

大橋處于多高山深谷且地勢(shì)陡峭的山區(qū)，其地質(zhì)條件十分復(fù)雜，天氣變化不定，雨水偏多，施工困難。同時(shí)工程中橋梁現(xiàn)澆梁采用C60高標(biāo)號(hào)混凝土澆筑，打破了同類型橋梁采用C55標(biāo)號(hào)混凝土的常規(guī)。雖然混凝土強(qiáng)度僅提高5MPa，但是大大增加了混凝土施工控制和監(jiān)測(cè)難度。為了監(jiān)測(cè)橋梁施工過(guò)程中C60混凝土產(chǎn)生的水化熱和溫度變化對(duì)橋梁受力影響，采用預(yù)埋式光纖光柵傳感器對(duì)混凝土固化過(guò)程中和后期溫度的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

基于光纖光柵傳感的箱梁溫度監(jiān)測(cè)

基于光纖光柵傳感器的溫度監(jiān)測(cè)原理

Bragg光纖光柵是由單模摻鍺光纖經(jīng)紫外光照射成柵技術(shù)形成，當(dāng)光纖光柵纖芯受到外界溫度或者應(yīng)力的作用時(shí)，光柵的間隔將發(fā)生改變，從而引起反射回來(lái)的光波長(zhǎng)發(fā)生變化。根據(jù)模耦合理論，一束寬帶光經(jīng)過(guò)光纖光柵時(shí)，特定波長(zhǎng)的光（波長(zhǎng)為λB）會(huì)反射回來(lái)，其波長(zhǎng)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(qū)，同時(shí)也是主要的受熱面和散熱面，采用等距離分布5個(gè)傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，腹板兩個(gè)，底板一個(gè)，一共8個(gè)溫度傳感器，分別編號(hào)為S1—S8。

溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果變化規(guī)律

截面局部溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律

大橋的混凝土澆筑時(shí)間為晚上，在完成澆筑后第二天早上開(kāi)始對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)時(shí)間為早上8點(diǎn)開(kāi)始，橋梁頂板外部溫度為2℃，天氣為晴轉(zhuǎn)多云，監(jiān)測(cè)持續(xù)時(shí)間為6個(gè)小時(shí)，采樣頻率為2Hz。頂板的傳感器為編號(hào)分別為S1—S5，頂板S1側(cè)為上游方向，S5為下游一側(cè)。

由于混凝土產(chǎn)生較大的水化熱，雖然外部室外溫度接近0℃，經(jīng)過(guò)12h后，橋梁頂板溫度依然有將近31℃。通過(guò)擬合溫度時(shí)程曲線可以發(fā)現(xiàn)，溫度隨著時(shí)間線性下降。S2為頂板處，12#塊的頂板板厚度為45cm，可以發(fā)現(xiàn)頂板溫度降得比較快，擬合出的線性斜率為-7.3484，說(shuō)明溫度隨時(shí)間的變化較快，在6h內(nèi)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(guī)律

對(duì)比在山區(qū)氣候條件下，河谷有比較大的風(fēng)，這對(duì)混凝土水化熱的消散有很大的影響，萬(wàn)龍山大橋的橋面寬12m，頂板的溫度差異受日照和風(fēng)向影響。現(xiàn)在將頂板的五個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)溫度進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋瑢?duì)比結(jié)果見(jiàn)圖4。可以發(fā)現(xiàn)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(shuō)明頂板的溫度分布差異性很大，主要原因?yàn)闃蛄旱南掠蝹?cè)面先受太陽(yáng)照射，而橋梁的上游側(cè)面為背陽(yáng)面。

將頂板、腹板和底板的溫度進(jìn)行截面縱向?qū)Ρ龋瑥膶?duì)比結(jié)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(shì)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(shí)程曲線幾乎平行，溫度緩慢下降，而S8基本上處于平穩(wěn)狀態(tài)。

通過(guò)采用預(yù)埋式光纖光柵溫度傳感器，對(duì)大橋施工階段C60高強(qiáng)度混凝土澆筑后溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容為頂板、腹板和底板的溫度變化情況，監(jiān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)6h。

主要結(jié)論有：（1） 混凝土澆筑后12h內(nèi)，當(dāng)橋梁外部溫度為0℃時(shí)，橋梁內(nèi)的水化熱產(chǎn)生的溫度可以高達(dá)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(qū)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(cè)溫度最高，背陽(yáng)面溫度最低，為24℃。

（3） 溫度沿截面的豎向分布規(guī)律于混凝土的局部體積有很大關(guān)系，如頂板和腹板交接處溫度為整個(gè)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。