新型抗冲击纤维混凝土桥梁伸缩缝健康监测研究

王德山，张 涛，陶勇根，刘启惠

（1. 江西赣粤高速公路股份有限公司，南昌 330029；2. 南京大地建设集团有限责任公司，南京 210029）

新型抗冲击纤维混凝土桥梁伸缩缝健康监测研究

王德山1，张 涛2，陶勇根1，刘启惠1

（1. 江西赣粤高速公路股份有限公司，南昌 330029；2. 南京大地建设集团有限责任公司，南京 210029）

以赣粤高速公路新建桥梁伸缩缝为对象，采用新型抗冲击纤维混凝土作为灌缝材料替代原设计采用的素混凝土，并通过在灌缝材料中埋设长标距光纤传感器的健康监测手段，定量评价新型抗冲击纤维混凝土对桥梁伸缩缝长期性能的改善效果。结果表明，通过在灌缝混凝土中埋设长标距光纤传感器，可以实现对伸缩缝灌缝混凝土损伤的长期跟踪监测；从监测数据分析可知，采用不同配比的新型抗冲击纤维混凝土，对伸缩缝长期性能均有明显提升，采用新型抗冲击纤维混凝土的灌封区混凝土开裂应变较素混凝土平均增加约100 με。

高速公路桥梁伸缩缝；抗冲击纤维混凝土；健康监测

0 引言

桥梁伸缩结构常设置于桥梁间的间隙处，其主要用途在于协调梁间的变形，到达车辆平稳通过的目的，以满足舒适性要求。同时，随着温度变化、桥梁基础的不均匀沉降等情况，伸缩缝结构的受力、工作状态常发生较大变动，降低其耐久性。此外，上部车辆在行驶过程中也会对其产生一个长期的冲击荷载作用，随着时间的增加，也会对其造成损伤[1～2]。

通过大量实验研究表明，纤维作为混凝土常用的增强材料，掺入混合料中后可有效改善传统混凝土材料的性质，在力学性能方面尤其突出，但应用推广受制于经济性方面的困扰。但自从1980年代以来，随着大量合成纤维的出现，掺入纤维混凝土的经济性、可操作性、耐久性等问题也得到了解决，在此种环境下，使得其可以应用于长期处在外部恶劣环境下的状况，例如长期暴露在外反复收到冲击荷载的路面、桥梁中[3～8]。

此外，近年来土木工程领域的研究重点已逐步由传统的人工结构检查和诊断的检测技术研究，转向到实时监测和损伤自动评价的结构健康监测领域研究（structure health monitoring）。在此背景下，对于病害多发而人工巡检困难的桥梁伸缩缝结构，健康监测技术的发展为桥梁伸缩缝实时状态监测和评估提供了很好的平台[9～10]。

以赣粤高速公路新建桥梁伸缩装置为对象，采用新型抗冲击纤维混凝土作为灌缝材料替代原设计采用的素混凝土，并通过在灌缝材料中埋设长标距光纤传感器的健康监测手段，定量评价新型抗冲击纤维混凝土对桥梁伸缩缝长期性能的改善效果。

表1 新型抗冲击纤维混凝土配方设计

表2 C60纤维混凝土试验结果

1 新型抗冲击纤维混凝土材料制作及力学性能

1.1 新型抗冲击纤维混凝土材料制作

新型抗冲击纤维混凝土采用C60商品混凝土基料外加一定数量的钢纤维与FERRO纤维混合而成。C60商品混凝土基料配合比为：水泥∶粉煤灰∶砂∶石∶水=408∶72∶780∶1 036∶154，其中，水泥为P.0.52.5R的普通硅酸盐水泥，石为粒径5～20 mm级配良好的玄武岩碎石，砂为级配良好中砂；钢纤维为波浪型钢纤维，长度为30 mm，其抗拉强度为600～650 MPa；FERRO纤维为美国FORTA公司生产的一种增强纤维，其主要成分为短切聚丙烯纤维和有仿钢丝作用的纯共聚物纤维，其长度54 mm，密度为0.91 g/cm3，抗拉强度为620～758 MPa。试验按照纤维参量的不同，设计了3 种配方（见表1），以研究新型抗冲击纤维混凝土的力学性能及其与素混凝土的优劣关系。

1.2 新型抗冲击纤维混凝土材料力学性能

对以上3 种配方的混凝土按《纤维混凝土试验方法标准》[11]要求进行了抗压、抗折与抗冲击试验。抗压和抗折试验中，分别采用了尺寸为150×150×150 mm的立方体及100 ×100×400 mm的长方体标准试件，对7 d与28 d两种龄期下的混凝土进行了试验研究；抗冲击试件中，采用了直径为150 mm，高度为50 mm的圆形试件，每组6个试件，每组试件对应一个材料配比，试验方法依据美国混凝土协会推荐的规范进行[12]，试验结果见表2。

由试验结果可知，纤维混凝土抗压强度和抗折强度较素混凝土均有明显提高。配方一28 d抗压强度较素混凝土提高14.7%， 28 d抗折强度较素混凝土提高67.3%，初裂耗能能力（以N1值作参考）较素混凝土提高64%，最终破坏耗能能力（以N2值作参考）较素混凝土提高693%；配方二28 d抗压强度较素混凝土提高14.7%，28天抗折强度较素混凝土提高42.2%，初裂耗能能力较素混凝土提高61%，最终破坏耗能能力较为素混凝土提高646%。其原因主要归纳如下：①纤维与混凝土粘结作用良好，减少了材料的孔隙率，使密实度提升，最终使得强度有所提高；②混凝土界面上的拉应力，通过纤维沿其轴向传递，加之纤维自身相比混凝土更大的抗拉承载力，这些都使得开裂后，混凝土的韧性表现更加良好；③FERRO纤维柔韧性较好，较长的纤维也更易在混凝土中形成“桥接”作用，因此可大幅提高纤维混凝土抗冲击性能。

2 光纤Bragg光栅(FBG)传感原理与的长标距光纤传感器

光纤Bragg光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）是在光纤的一段范围内，一般是利用紫外线刻蚀，使得沿光纤轴向纤芯折射率发生周期性变化，而最终形成的芯内体光栅，是一种波长调制型传感器。通常一般波长的光在通过Bragg光栅时，不会受到影响继续传输，只有特定某一波长的光（波长为λB）在遇到Bragg光栅时，会发生反射，返回到入射的方向。当在Bragg光栅处施加外力，引起光栅处应变变化，从而改变了光栅的间隔，使反射光波长也会发生相应变化。Bragg波长λB同时受Bragg光栅周期和纤芯有效折射率振动的影响，因而通过测量布拉格波长的变化即可测出应变变化[9～10]。

Bragg光栅传感如图1所示，应变可以引起Bragg光栅的波长变化外，温度的变化同样也可以引起光栅波长的漂移。由于热胀效应，光栅的周期发生变化，可由热胀系数体现；另一方面，热光效应使得纤芯有效折射率发生变化，可由热光系数体现。综合上述情况，当外界应力作用下或所处环境温度变化时，Bragg光栅的周期和有效折射率都会发生改变，导致光栅的反射光中心波长值发生变化，其关系式如下：

ΔλB= (1- Pe)˙ Δε˙ λB+ (αf+ ξ)˙ ΔT ⑴式中：Pe为光纤材料的弹光系数；λB为光栅中心波长；αf为光纤的热胀系数；ξ为光纤的热光系数。

根据光纤光栅的传感原理，开发的基于应变、温度、压力等参量的光纤光栅传感器（简称FBG传感器），目前已成功应用于大型土木结构如桥梁、隧道、高层结构等应变监测中[9～10]。FBG传感器除具有光纤传感器的所有优点外，还具有其独特的优点：①可在一根光栅中写入多个光栅，构成传感阵列，实现分布式监测；②测量信息是波长编码的，FBG传感器不受光源的光强波动、光纤连接、耦合损耗及光波偏振态的变化等因素的影响；③高灵敏度，高分辨率，美国Micron Optics公司生产的用于应变测量的FBG产品最大量程可达5 000 με，测量稳定性1～2 με，可重复性＜1 με。

图1 Bragg光栅传感示意图

图2 伸缩缝施工图

3 传感器现场布置

图2为新建的奉铜高速某桥梁伸缩缝传感器布置现场，伸缩缝长度为7.6 m，按长度方向分成4个单元，每个单元采用一根标距为190 cm的FBG传感器，传感器位置见图2所示（图中白线即为传感器位置）。采用外贴方式固定传感器。传感器内部光纤在生产过程中经过一定的预张拉，因此可以保证其受压时也有应变变化。

4 监测结果

4.1 裂缝分布

经过6 个月的运行之后，通过对伸缩缝灌缝混凝土目视观测发现，素混凝土的裂缝数量较多，其开裂往往贯通伸缩缝表面，即从梁端一直延伸到型钢附近（如图3所示）。而纤维混凝土裂缝肉眼几乎是看不清楚，少数的裂缝开裂缝后发展并不迅速，见图4。由此可见，纤维混凝土的使用有效的限制了裂缝生成，且能有效控制裂缝的进一步发展。

4.2 传感器应变分布

对新建的奉铜高速桥梁8 条伸缩缝安装的FBG传感器进行了为期6 个月的跟踪监测，所得最终应变如图5所示。其中伸缩缝1～3号，均为配方一的纤维混凝土，而伸缩缝4～6号均为配方二的纤维混凝土，而伸缩缝7～8号为素混凝土浇筑。伸缩缝1～3号，其最小应变为136.8 με，最大应变为281.9 με，3 条伸缩缝平均应变如图6所示，其变化范围193.6～237.7 με。伸缩缝4～6号，其最小应变为207.3 με，最大应变为320.9 με，3 条伸缩缝平均应变变化范围250.71～317.7 με。对素混凝土浇筑的7号和8号两条伸缩缝监测结果，应变范围331.06～400.84 με，4 个传感器的平均应变为370.29和379.2με。可见纤维混凝土的使用有效控制了混凝土裂缝开展，限制了裂缝的恶化，这对伸缩缝保护起到了至关重要的作用。此外，对不同配方的纤维混凝土，裂缝发展区别明显，而配方一限制裂缝发展效果更好，其原因：F纤维质量分数的提高，纤维和混凝土的粘结力增强，较明显的提高了抗冲击强度。而材料试验数据也间接证明这一点。需要说明的是，尽管纤维混凝土对裂缝扩展有明显优势，但是由于监测时间较短，纤维混凝土抗冲击性能还未能完全表现出来，监测时间越长，与素混凝土相比，有望更大幅度提高混凝土的抗裂性能。

图3 素混凝土伸缩缝裂缝

图4 纤维混凝土伸缩缝裂缝

图5 传感器应变分布

图6 各伸缩缝平均应变

4.3 裂缝宽度

由测试平均应变得混凝土伸缩缝平均裂缝宽度见式⑵

式中：w为裂缝宽度，ε为FBG所测试平均应变，ΔL为FBG的标距。

图7为8 条伸缩缝的平均裂缝宽度计算值。由图可知1～3号伸缩缝混凝土采用了配方一纤维混凝土，平均裂缝宽度分别为0.045，0.037和0.04 mm，相对较小。而4～6号伸缩缝混凝土采用了配方二的纤维混凝土，其平均裂缝宽度分别为0.048、0.051和0.06 mm。比较配方一和配方二的纤维混凝土，由于F纤维质量分数的提高，其抗冲击性能随之提高从而限制了裂缝宽度的发展，其混凝土的粘结明显提高。而素混凝土的裂缝宽度最大，其裂缝宽度分别为0.07和0.072 mm。由此可见，裂缝发展区别明显，而配方一限制裂缝发展效果更好。需要说明的是，尽管配方一优势明显，但是在浇筑混凝土时会给施工造成不便，具体在振捣和抹面操作时对施工人员有相应的技术要求。因此，合理使用FERRO纤维对工程应用也是需要考虑的问题。

图7 各伸缩缝平均裂缝宽度

5 结论

对赣粤高速新建的桥梁伸缩缝采用了不同配方的纤维混凝土，并且利用健康监测平台观察纤维混凝土限制裂缝产生和发展的作用，结果表明：

⑴ 采用纤维混凝土能有效改善桥梁伸缩缝的裂缝形成和发展，其裂缝数量明显减少，裂缝发展明显缓慢。

⑵ FBG传感器监测的伸缩缝应变，较好的揭示了纤维混凝土裂缝开展的程度，与素混凝土相比，伸缩缝缝应变发展缓慢。

⑶ 采用不同配方的纤维混凝土性能明显不同。如配方中增加F纤维质量分数，其抗冲击性能的提高能有效抑制裂缝的发展。而对于后期裂缝观察还需进一步监测。

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Health monitoring study of bridge expansion joint with new type shock resistance f ber reinforced concrete

WANG De-shan1, ZHANG Tao2, TAO Yong-gen1, LIU Qi-hui1
( 1. Jiangxi Ganyue Expressway Co., Ltd., Nanchang 330029 China; 2. Nanjing Dadi Construction Group LLC, Nanjing 210029 China )

Treated as research object, the bridge expansion joints in GanYue expressway are studied through utilizing new type shock resistance fiber reinforced concrete as embedment material to replace ordinary concrete in former design,in the meantime, through health monitoring method which is fulfilled by burying long gauge fiber optical sensors in embedment material, the new type shock resistance fiber reinforced concrete’s long time affect to bridge joints structure’s longtime property is evaluated quantitatively. The results show that burying long gauge fiber optic sensors in embedment concrete can realize the long time monitoring of damage in expansion joints; By analyzing the statistics of monitoring, new type shock resistance fiber reinforced concrete with different material ratio greatly increased the long time property of expansion joints and the cracking strain of embedment concrete using new type shock resistance fiber reinforced concrete increased by around 100 micro strain than those of normal concrete.

highway bridges expansion joints; shock resistance fiber reinforced concrete; health monitoring

U446.2; U443.31

A

1007-9815（2016）01-0072-05

定稿日期:2016-02-28

王德山（1960-），男，江西上饶人，教授级高工，主要从事道路管养方面的研究，(电子信箱)1360806009 @qq.com。