一种基于光纤光栅应变感测技术的PCCP应变测试方法与流程

本发明涉及水利工程测试技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅应变感测技术的预应力钢筒混凝土管（pccp）应变测试方法。

背景技术：

预应力钢筒混凝土管（pccp管）由混凝土管芯、钢筒、预应力钢丝和保护层砂浆组成。pccp管具有承载能力强、基本不漏水、不易腐蚀、可以便捷快速的安装、通水能力强、对地基有良好的适应性、抗震性强、具有丰富的配件和异型管等优点，在市政工程、核电、水电以及长距离大口径的有压输水管线工程中得到广泛使用。

pccp管的强度取决于缠绕在管芯上的预应力钢丝，预应力钢丝在混凝土管芯上产生均匀的预应力，能够抵偿由内压和外荷载产生的拉应力。

为研究pccp管内水压或者外部荷载作用下的承载机理和破坏特征，需要对pccp管进行原型试验。通过试验对pccp管各层结构在内压或者外部荷载持续作用下的应变进行连续测试，获取混凝土管芯、保护层砂浆、钢筒和预应力钢丝在不同荷载作用下的测试数据，通过深入研究测试数据，掌握pccp管各层结构在压力作用下的受载响应规律，确定管体各层材料开裂和屈服荷载。

目前针对预应力钢筒混凝土管（pccp）原型试验测试技术是通过在钢筒、钢筒内测管芯混凝土、钢筒外侧管芯混凝土、预应力钢丝、保护层砂浆上粘贴电阻式应变片进行。然而，电阻式应变片在pccp管制造过程中很容易损坏，且有稳定性差和易发生零飘等无法克服的缺陷。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，提供一种耐久性好的pccp管的测试方法，本发明提供了一种基于光纤光栅感测技术的pccp应变测试方法，包括下述步骤：

s1：测点布设，在钢筒内侧管芯混凝土内壁、钢筒外壁、钢筒外侧管芯混凝土外表面、预应力钢丝以及保护层砂浆上均布设光纤光栅应变传感器，选择大量程贴片式应变计，并且串联光纤光栅应变计，其中，钢筒内侧管芯混凝土内壁及钢筒外壁上的光纤光栅应变计通过布设光纤引线实现串联；

s2：光纤引线线路集成，将全部的光纤引线端部引入到pccp管体的接线盒内，进行光纤引线线路集成，并将集成的光纤引线引出pccp体外；

s3：胶灌封住接线盒，进行防水处理。

其中，所述步骤s1中，所述光纤光栅应变计采取四个纵断面、环向布设的方法布设。

其中，所述步骤s1中，在所述钢筒内侧管芯混凝土内壁、钢筒外壁、钢筒外侧管芯混凝土、预应力钢丝以及保护层砂浆上各选取6-10个测试断面，每个测试断面上布设安装四个光纤光栅应变计；其中，在所述钢筒内侧管芯混凝土内壁及钢筒外壁的每个测试断面上还布设一条光纤引线，用于串联光纤光栅应变计。

其中，各层测试断面上的所述光纤光栅应变计呈十字对称布设。

其中，所述测试断面的数目为7个，分别位于pccp管体长度的0-20%、20%-35%m、35%-45%m、45%-60%、60%-70%、70%-90%及90%-100%处。

其中，在所述钢筒内侧管芯混凝土内壁或钢筒外壁上布设光纤光栅应变计及光纤引线时，所述步骤s1包括：

s11：在钢筒内侧管芯混凝土内壁或钢筒外壁上标示出需要布设光纤光栅应变计的测试点及对应的光纤引线线路；

s12：将测试点及对应的光纤引线线路打磨光滑；

s13：使用酒精将测试点及对应的光纤引线线路擦拭干净；

s14：沿钢筒内侧管芯混凝土内壁或钢筒外壁纵向方向，将其中一个横向方向上的测试点上点胶固定光纤光栅应变计，再沿同一个方向点胶固定光纤引线；

s15：对固定好的光纤光栅应变计及光纤引线进行涂胶保护；

s16：在固定好的光纤光栅应变计及光纤引线表面黏贴纸胶带；

s17：12小时后，翻转pccp管体，在另一个横向方向上进行步骤s14-步骤s16的操作，从而完成整个钢筒内侧管芯混凝土内壁或钢筒外壁上光纤光栅应变计及光纤引线的布设。

其中，在所述钢筒外壁上布设光纤光栅应变计及光纤引线时，所述步骤s1还包括：

s18：尾纤保护处理，在钢筒外侧焊接垂直于钢筒表面的圆形钢管，将靠近圆形钢管处的光纤引线换接成铠装引线，接入到钢筒外部预留保护。

其中，在所述钢筒外侧管芯混凝土及预应力钢丝上布设光纤光栅应变计时，所述步骤s1包括：

s11：在钢筒外侧管芯混凝土外壁上标示出需要布设光纤光栅应变计的测试点；

s12：在测试点位置凿开预定的天窗，剥离砂浆使预应力钢丝和钢筒外侧管芯混凝土外露；

s13：将外露的钢筒外侧管芯混凝土及预应力钢丝表面打磨光滑；

s14：将光纤光栅应变计贴合在钢筒外侧管芯混凝土及预应力钢丝表面；

s15：涂抹树脂覆盖光纤光栅应变计；

s16：将光纤光栅应变计串联。

其中，在所述保护层砂浆上布设光纤光栅应变计时，所述步骤s1包括：

s11：在所述保护层砂浆外壁上标示出需要布设光纤光栅应变计的测试点；

s12：将保护层砂浆测试点位置打磨光滑；

s13：将光纤光栅应变计贴合在打磨光滑的保护层砂浆表面；

s14：涂抹树脂覆盖光纤光栅应变计；

s15：将光纤光栅应变计串联。

其中，还包括：

s4：在钢筒内侧管芯混凝土内壁上布设光纤光栅渗压计，以同时实现管内饱水压力测试。

本发明提供的基于光纤光栅应变计的pccp应变测试方法，以光纤光栅传感技术为基础，具有抗电磁干扰、耐久性好、精度高等特点。

附图说明

图1a：本发明的管体光纤光栅应变计布设的横向截面示意图；

图1b：本发明的管体光纤光栅应变计布设的纵向截面示意图；

图1c：本发明的管体光纤光栅应变计布设的环向展开示意图；

图2a：本发明的管体光纤光栅应变计测线线路集成的横向截面示意图；

图2b：本发明的管体光纤光栅应变计测线线路集成的纵向截面示意图；

图2c：本发明的管体光纤光栅应变计测线线路集成的环向展开示意图；

图3：本发明的光纤引线线路集成测试示意图；

图4：本发明的钢筒光纤光栅应变计布设示意图。

附图标记说明

1光纤光栅应变计

2光纤引线

3接线盒

4法兰孔洞

5多芯通信光缆

6光纤解调设备

7钢管。

具体实施方式

为了对本发明的技术方案及有益效果有更进一步的了解，下面配合附图详细说明本发明的技术方案及其产生的有益效果。

图1-图2分别为本发明的pccp管体光纤光栅应变计及管体光纤光栅应变计测线线路集成示意图，其中，图1a为本发明的管体光纤光栅应变计布设的横向截面示意图，图1b为本发明的管体光纤光栅应变计布设的纵向截面示意图，图1c为本发明的管体光纤光栅应变计布设的环向展开示意图；图2a为本发明的管体光纤光栅应变计测线线路集成的横向截面示意图，图2b为本发明的管体光纤光栅应变计测线线路集成的纵向截面示意图，图2c为本发明的管体光纤光栅应变计测线线路集成的环向展开示意图。

如图1-图2所示，本发明提供了一种基于光纤光栅应变感测技术的pccp应变测试方法，包括下述步骤：

s1：测点布设，在钢筒内侧管芯混凝土内壁、钢筒外壁、钢筒外侧管芯混凝土、预应力钢丝以及保护层砂浆上均布设光纤光栅应变计1，并且串联光纤光栅应变计1，其中，钢筒内侧管芯混凝土内壁及钢筒外壁上的光纤光栅应变计1通过布设光纤引线2实现串联；

s2：光纤引线线路集成，将全部的光纤引线2端部引入到pccp管体的接线盒3内，进行光纤引线线路集成，并将集成的光纤引线2引出pccp体外；

s3：胶灌封住接线盒3，进行防水处理。

因此，本发明为针对预应力钢筒混凝土管（pccp管）原型试验，提出的一种新的测试技术。新技术基于光纤光栅（fbg）传感技术，通过在钢筒内侧管芯混凝土内壁、钢筒外壁、钢筒外侧管芯混凝土、预应力钢丝以及保护层砂浆上植入光纤光栅应变计1，采用光纤光栅解调仪不间断的采集应变数据，实现对pccp现场原型管内压承载力过程中应变的测试。光纤光栅是利用激光曝光掺杂光纤，诱导其光敏性使其折射率发生周期性永久改变制成的宽窄滤波器，光纤光栅作为一种以光为载体、光纤为媒介的新型传感技术，具有抗电磁干扰、耐久性好、精度高等特点，非常适合pccp原型试验的测试。

本发明在具体实施时，可结合pccp在受荷变形、断丝变形等多种工况过程中的pccp结构应变数据，结合pccp中各种结构体的材料特点，选择多种不同类型的光纤光栅应变计，植入到pccp中，测试pccp的各结构体的应变大小，例如可以选择裸光纤光栅应变计，直径为0.125mm，纤细微小，易于植入，在其上涂抹环氧树脂胶可以增加强度，提高成活率及测量精度，也可以选择为其它光纤光栅应变计，本发明不加以限制。

需要说明的是，本发明图1-图2所示的示意图，是以管体长度为6m的pccp为例，所选择的测试断面分别位于混凝土管体的0.75m、1.75m、2.5m、3.0m、3.5m、4.25m及5.25m处，但在具体实施时，并不以此数值为限。

图3为本发明的光纤线路集成测试示意图，如图所示，本发明在具体实施时，可通过多芯通信光缆5将接线盒3内的光纤引线2熔接并接通电路，从混凝土管体上顶盖预留的法兰孔洞4将多芯通信光缆5引出，从而与相应的光纤解调设备6连接。

本发明在具体实施时，可利用环氧树脂胶灌封住接线盒3，以进行防水处理。

较优的，请继续参阅图1-图2所示，所述步骤s1中，所述光纤光栅应变计1采取四个纵断面、环向布设的方法布设。

较优的，请继续参阅图1-图2所示，所述步骤s1中，在所述钢筒内侧管芯混凝土内壁、钢筒外壁、钢筒外侧管芯混凝土、预应力钢丝以及保护层砂浆上各选取6-10个（图中以7个为例）测试断面，每个测试断面上布设安装四个光纤光栅应变计1；其中，在所述钢筒内侧管芯混凝土内壁及钢筒外壁的每个测试断面上还布设一条光纤引线2，用于串联光纤光栅应变计1。

较优的，请继续参阅图1-图2所示，各层测试断面上的所述光纤光栅应变计1呈十字对称布设，也即，各层测试断面上的光纤光栅应变计1在四个纵断面上沿水平垂直十字对称的方式布设，在环绕混凝土管体的方向上，四个光纤光栅应变计1分别位于0°、90°、180°、270°位置处。

较优的，所述测试断面的数目为7个，分别位于混凝土管体长度的0-20%、20%-35%m、35%-45%m、45%-60%、60%-70%、70%-90%及90%-100%处。

具体实施时，在所述钢筒内侧管芯混凝土内壁或钢筒外壁上布设光纤光栅应变计1及光纤引线2时，所述步骤s1包括：

s11：在钢筒内侧管芯混凝土内壁或钢筒外壁上标示出需要布设光纤光栅应变计1的测试点及对应的光纤引线线路；

s12：将测试点及对应的光纤引线线路打磨光滑；可采用手持式磨光机进行；针对长为6m的混凝土管体，例如可以在钢筒外壁上打磨出宽约5mm，长约6cm的光滑面，以便后期固定光纤光栅应变计1；

s13：使用酒精将测试点及对应的光纤引线线路擦拭干净，以避免油污影响布设；

s14：沿钢筒内侧管芯混凝土内壁或钢筒外壁纵向方向，将其中一个横向方向上的测试点上点胶固定光纤光栅应变计1，再沿同一个方向点胶固定光纤引线2；（根据设计方案，可将每条光纤引线线路提前刻写好光纤光栅串，保证每条光纤引线线路测试点的数量和距离一定）；

在此步骤中，针对光纤光栅应变计1的固定，在钢筒内侧管芯混凝土内壁，可通过快干胶将光纤光栅应变计1固定在钢筒内侧管芯混凝土内壁上；在钢筒外壁，可光纤光栅应变计1平铺在磨光点位上，并用电焊机以“定点”的方式将光纤光栅应变计1固定在钢筒外壁上；而针对光纤引线2的固定，均可通过快干胶实现；

s15：对固定好的光纤光栅应变计1及光纤引线2进行涂胶保护；

具体可通过环氧树脂胶以“全面粘贴”方式将固定好的光纤光栅应变计1及光纤引线2进行全面覆盖，再使用电吹风机热化胶体，使用毛刷涂抹均匀胶体；

s16：在固定好的光纤光栅应变计1及光纤引线2表面黏贴纸胶带；也即，将纸胶带黏贴在环氧树脂表面，避免环氧树脂流动；

s17：12小时后，翻转pccp管体，在另一个横向方向上进行步骤s14-步骤s16的操作，从而完成整个钢筒内侧管芯混凝土内壁或钢筒外壁上光纤光栅应变计1及光纤引线2的布设。

较优的，请参阅图4所示，为本发明的钢筒光纤光栅应变计布设的立体结构示意图，在所述钢筒外壁上布设光纤光栅应变计1及光纤引线2时，所述步骤s1还包括：

s18：尾纤保护处理，在钢筒外侧焊接垂直于钢筒表面的圆形钢管7，将靠近圆形钢管7处（可选择距离约10cm处）的光纤引线2换接成铠装引线，接入到钢筒外部预留保护，以避免管芯混凝土（包括钢筒内侧管芯混凝土及钢筒外侧管芯混凝土）浇筑破坏光纤引线2。

具体实施时，在所述钢筒外侧管芯混凝土及预应力钢丝上布设光纤光栅应变计1时，所述步骤s1包括：

s11：在钢筒外侧管芯混凝土外壁上标示出需要布设光纤光栅应变计1的测试点；

s12：在测试点位置凿开预定的天窗（例如可以为长宽均为10cm），剥离砂浆使预应力钢丝和钢筒外侧管芯混凝土外露；

s13：将外露的钢筒外侧管芯混凝土及预应力钢丝表面打磨光滑；

s14：将光纤光栅应变计1贴合在钢筒外侧管芯混凝土及预应力钢丝表面；

s15：涂抹树脂覆盖光纤光栅应变计1；本发明中，可选择环氧树脂，并涂抹均匀；

s16：将光纤光栅应变计1串联。

本发明在具体实施时，所述步骤s16中，可通过熔接机将布设的光纤光栅应变计1环向串联成3-4条线路进行测试。

保护层砂浆处于pccp最外层，其光纤光栅应变计1的布设工艺与钢筒外侧管芯混凝土以及预应力钢丝一致，也即，在所述保护层砂浆上布设光纤光栅应变计1时，所述步骤s1包括：

s11：在所述保护层砂浆外壁上标示出需要布设光纤光栅应变计1的测试点；

s12：将保护层砂浆测试点位置打磨光滑；

s13：将光纤光栅应变计贴合在打磨光滑的保护层砂浆表面；

s14：涂抹树脂覆盖光纤光栅应变计1；

s15：将光纤光栅应变计1串联。

本发明在具体实施时，还可在钢筒内侧管芯混凝土内壁上布设光纤光栅渗压计，以同时实现管内饱水压力测试。

具体的，可在钢筒内侧管芯混凝土内壁布设2-3个光纤光栅渗压计，实现管内饱水压力实时测试。利用环氧树脂胶，将渗压计黏贴固定于钢筒内侧管芯混凝土的上中下部位处，以测试pccp内水压力大小。

与光纤光栅应变计1相似，光纤光栅渗压计也可串联连接，并最终将光纤光栅渗压计引线引入到接线盒3内，进行线路集成。

本发明提供的基于光纤光栅应变计1的pccp应变测试方法，以光纤光栅传感技术为基础，具有抗电磁干扰、耐久性好、精度高等特点。

虽然本发明已利用上述较佳实施例进行说明，然其并非用以限定本发明的保护范围，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围之内，相对上述实施例进行各种变动与修改仍属本发明所保护的范围，因此本发明的保护范围以权利要求书所界定的为准。