雪花形钢板桩作为一种新型异形桩(结构形式如图1所示),具有较大的比表面积,可以充分发挥桩侧摩阻力作用,提高单桩承载力,同时雪花形钢板桩自身强度高,用材相对较少,工程应用前景良好。为了准确掌握新型雪花形钢板桩桩身变形特征,本文基于光频域反射技术(OFDR)分布式光纤传感技术,在实验室内开展了雪花形钢板桩模型的桩身变形试验研究。

雪花形桩示意图
(a)雪花形桩示意图
桩身截面示意图
(b)桩身截面示意图

图1. 雪花形钢板桩结构形式

测试过程

基于OFDR分布式光纤传感技术对雪花形钢板桩荷载时桩身应变特性进行研究,如图2所示,本次试验同时采用分布式光纤和应变片两种测量应变的方法,对竖向荷载作用下的雪花形钢板桩桩身不同部位进行应变监测。使用的测试仪器为OSI-S分布式光纤传感仪和静态应变采集仪,由于试验在室内模型槽内进行,采用快速加载方式,环境温度较为稳定,因此无需进行温度补偿。

桩身截面示意图
图2. 试验整体设计示意图

传感器的布设位置如图2中1-1截面所示,一共布设四根分布式光纤和一组应变片(5个)。其中,1号光纤呈S形布设,连接腹板与腹板交界处、腹板与翼缘交界处、翼缘边上三个位置;2号、3号和4号光纤呈一字形分别布设在三个位置处,模型桩上光纤的两种布设形式如图3所示。应变片作为4号光纤的对照组,布设在4号光纤的对称位置。

光纤S形布设
(a)S形布设
光纤一字形布设
(b)一字形布设

图3. 光纤的不同布设形式

测试结果

图4为光纤和应变片测值的对比,试验过程中OSI-S分布式光纤传感仪选择的空间分辨率为为1cm。从图4中可以看出,应变片测值分布在光纤测值周围,除第二个和第五个应变片测值与光纤测值相差很大外,其余三处两种监测方式得到的应变量基本吻合,且变化规律基本一致,都是沿着深度方向不断减小,说明分布式光纤测量异形钢板桩应变的准确性。

200N
(a)200N
400N
(b)400N
600N
(b)600N

图4. 荷载作用下光纤测值与应变片测值的对比

图5为荷载作用下1号光纤应变测试结果,从图中可以看出,随着桩顶荷载的增加,桩身同一位置的应变也在增加,实验前对有效位置进行定位,这样从图中可以很明显地区分出有效数据段,可以了解到加载过程中桩身三个不同部位的应变变化规律。

1号光纤应变测试结果
图5. 1号光纤应变测试结果

图6 为荷载作用下雪花形钢板桩桩身不同位置处应变对比,可以看出,在同一荷载作用下,腹板与腹板交界处和腹板与翼缘交界处的应变值基本相同,翼缘边上的桩身应变较大,且不同部位应变差异的大小会随桩顶荷载的增加而不断增大。

(a)200N
(a)200N
(b)400N
(b)400N

图6. 荷载作用下雪花形钢板桩桩身不同位置处应变对比

实验结论

基于OFDR的分布式光纤传感技术可实现对荷载作用下雪花形钢板桩桩身应变进行有效监测,可以充分展示复杂结构的全局应变信息,为异形钢板桩变形测试提供了一种新的可靠测量技术。通过对试验数据的分析研究,揭示了荷载作用下雪花形钢板桩不同位置的变形特性,为后期雪花形钢板桩的优化设计提供更可靠的依据。


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来源:Sensors
题名:Model Test Study on Deformation of Snowflake Shaped Steel Sheet Pile Based on OFDR
作者:高磊,徐中权,王权,张振雷,李平
作者单位:河海大学


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