基于分布式光纖傳感的混凝土裂縫識(shí)別與監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究*

毛江鴻,崔 磊*,金偉良,,許 晨,何 勇,任旭初,楊 帆

(1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院,浙江 寧波 315100;2.浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所,杭州 3100583.浙江舟山跨海大橋有限公司,浙江 寧波 315040)

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基于分布式光纖傳感的混凝土裂縫識(shí)別與監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究*

毛江鴻1,崔 磊1*,金偉良1,2,許 晨2,何 勇2,任旭初3,楊 帆3

(1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院,浙江 寧波 315100;2.浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所,杭州 3100583.浙江舟山跨海大橋有限公司,浙江 寧波 315040)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫寬度超過(guò)規(guī)范限值后會(huì)引起滲水、鋼筋銹蝕等問(wèn)題,破壞混凝土結(jié)構(gòu)的整體性和安全性。結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)是評(píng)估結(jié)構(gòu)安全性的重要依據(jù)之一,分布式光纖裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)(BOTDA/R)可有效避免點(diǎn)式檢測(cè)空間不連續(xù)造成的漏檢現(xiàn)象。本文根據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫形成機(jī)理和前期研究提出的斜交光纖組裂縫監(jiān)測(cè)方法,對(duì)混凝土裂縫光纖監(jiān)測(cè)進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析。分析結(jié)果表明采用斜交光纖組可跟蹤監(jiān)測(cè)寬度大于0.04mm以上的裂縫發(fā)生及開(kāi)展過(guò)程。依據(jù)分析結(jié)果,本文改進(jìn)了光纖布設(shè)方式監(jiān)測(cè)混凝土微裂縫,實(shí)現(xiàn)了微裂縫的發(fā)生及開(kāi)裂路徑的監(jiān)測(cè)。本文通過(guò)鋼筋混凝土梁的靜載試驗(yàn),分別驗(yàn)證了梁側(cè)全面粘結(jié)光纖的微裂縫識(shí)別和梁底斜交光纖組的裂縫寬度跟蹤監(jiān)測(cè)的有效性。

混凝土結(jié)構(gòu);裂縫監(jiān)測(cè);裂縫擴(kuò)展;光纖傳感;BOTDA

土木工程領(lǐng)域的大多數(shù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是帶裂縫工作,世界各國(guó)對(duì)混凝土都有一個(gè)允許裂縫寬度的限值,我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,依據(jù)不同的環(huán)境類別設(shè)置的允許裂縫寬度范圍為0.2 mm～0.4 mm[1]。裂縫超過(guò)允許裂縫寬度后會(huì)引起滲水、鋼筋銹蝕等問(wèn)題,破壞混凝土結(jié)構(gòu)的整體性和安全性。國(guó)內(nèi)外工程界和科學(xué)界也提出了許多裂縫控制措施[2],針對(duì)性地控制溫度收縮、大體積澆筑等不利條件引起的開(kāi)裂。如果能通過(guò)技術(shù)手段識(shí)別和跟蹤監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫,可為工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)管理提供有效的數(shù)據(jù)支持。

目前,常用的裂縫檢測(cè)方法包括傳統(tǒng)裂縫觀測(cè)儀和裂紋擴(kuò)展片以及新型的光彈貼片和聲發(fā)射技術(shù)等,均能準(zhǔn)確獲取裂縫開(kāi)展過(guò)程[3]。上述技術(shù)多依賴于技術(shù)人員定期巡檢,存在人為誤差、高空作業(yè)等不足,同時(shí)裂縫具有顯著的時(shí)空隨機(jī)性特點(diǎn),難以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫的全面、長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。光纖傳感技術(shù),特別是分布式光纖傳感技術(shù),包括拉曼散射(OTDR)和布里淵光時(shí)域反射(BOTDA/R)可有效避免點(diǎn)式檢測(cè)過(guò)程空間不連續(xù)造成的漏檢現(xiàn)象。Leung[4-5]提出基于OTDR的光纖微彎引起光強(qiáng)損耗監(jiān)測(cè)裂縫開(kāi)展,并對(duì)拉伸和剪切裂縫進(jìn)行了理論研究,劉浩吾等人[6-7]進(jìn)行了該方面試驗(yàn)研究并為工程應(yīng)用開(kāi)展基礎(chǔ)研究;孫寶臣[8]利用光纖宏彎原理制作了新型光纖裂縫傳感器,并研究了其傳感特性。OTDR監(jiān)測(cè)裂縫是利用光損和裂縫存在關(guān)聯(lián)性開(kāi)展的,存在的主要問(wèn)題是光纖沿線某處的光損會(huì)引起動(dòng)態(tài)范圍降低,從而造成線路失效。

布里淵光時(shí)域分析計(jì)(BOTDA)作為近十幾年引入國(guó)內(nèi)的分布式光纖傳感技術(shù),主要針對(duì)大型、長(zhǎng)距離的基礎(chǔ)工程進(jìn)行健康監(jiān)測(cè),已在隧道、基坑等工程應(yīng)變監(jiān)測(cè)中應(yīng)用[9-10],將其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)相對(duì)較少。Lu[11]等人將BOTDA裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于某瀝青鋪裝層的裂縫監(jiān)測(cè)中;錢振東[12]等人開(kāi)展了基于BOTDA的橋面板疲勞裂縫監(jiān)測(cè)研究,利用光纖應(yīng)變建立疲勞裂縫擴(kuò)展模型。施斌[13]等人近期開(kāi)展了基于BOTDR的地裂縫監(jiān)測(cè),可識(shí)別0.1 mm的地裂縫寬度變化。

上述文獻(xiàn)未開(kāi)展光纖應(yīng)變和裂縫寬度及走向的定量分析,作者在文獻(xiàn)[14]中提出了BOTDA技術(shù)結(jié)合斜交光纖組的裂縫監(jiān)測(cè)方法,通過(guò)理論分析建立了光纖應(yīng)變和裂縫寬度及走向的數(shù)值關(guān)系,并標(biāo)定了300 mm標(biāo)距的光纖裂縫傳感器實(shí)測(cè)應(yīng)變和裂縫寬度及夾角的定量關(guān)系。本文在前文研究基礎(chǔ)上,結(jié)合鋼筋混凝土裂縫發(fā)生及發(fā)展的特點(diǎn),采用梁側(cè)全面粘貼和斜交裂縫組的方式對(duì)裂縫發(fā)展進(jìn)行了識(shí)別和寬度跟蹤監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究。

1 基于BOTDA的混凝土初裂識(shí)別與裂寬監(jiān)測(cè)原理

1.1 分布光纖傳感技術(shù)(BOTDA)工作原理

BOTDA利用光纖的布里淵散射光的頻移量與光纖應(yīng)變和溫度變化之間的線性關(guān)系,通過(guò)測(cè)量布里淵散射頻移量vB獲取光纖沿線溫度和應(yīng)變的分布信息。光纖應(yīng)變量、溫度變化量與布里淵頻率漂移量之間的關(guān)系如式(1)所示[15]:

(1)

式中,vB(0)為初始應(yīng)變、初始溫度時(shí)布里淵頻率頻移量,vB(ε,T)為在應(yīng)變?chǔ)拧囟萒時(shí)布里淵頻率漂移量,dvB/dT溫度比例系數(shù),dvB/dε為應(yīng)變比例系數(shù),T-T0為光纖溫度差;ε為光纖應(yīng)變變化量。分布式光纖應(yīng)變傳感技術(shù)可對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變進(jìn)行分布式檢測(cè),但由于入射光存在脈沖寬度限制使得該技術(shù)需考慮空間分辨率影響。采樣點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)實(shí)際上是一段光纖內(nèi)應(yīng)變的綜合反映[16]:

(2)

式中,dz即為空間分辨率大小,W為入射脈沖光寬度,Vg為光波在光纖中沿軸向傳播的速度。

1.2 混凝土裂縫的分布式光纖監(jiān)測(cè)原理

混凝土裂縫的開(kāi)展過(guò)程主要經(jīng)歷以下3個(gè)階段:第1階段為裂縫形成階段,混凝土應(yīng)變逐漸增加至混凝土極限拉應(yīng)變;第2階段為裂縫發(fā)展階段:混凝土首先出現(xiàn)1條主裂縫(w1),裂縫周邊混凝土應(yīng)力釋放但仍然處于受拉狀態(tài),隨著荷載持續(xù)增加,則將相繼出現(xiàn)多條裂縫(w1至wn),裂縫間混凝土應(yīng)力逐漸釋放;第3階段為裂縫穩(wěn)定開(kāi)展階段,混凝土完全退出工作,形成多裂縫分布。采用分布式光纖監(jiān)測(cè)裂縫的光纖布置如圖1所示。

圖1 BOTDA監(jiān)測(cè)鋼筋混凝土開(kāi)裂原理

因此,對(duì)應(yīng)第1階段的光纖理論應(yīng)變僅為混凝土應(yīng)變:

εf=ε1

(3)

其中,εf為光纖測(cè)試應(yīng)變,ε1為混凝土應(yīng)變值,其值小于混凝土極限拉應(yīng)變。

第2階段:光纖理論應(yīng)變由未裂縫混凝土應(yīng)變和裂縫寬度變化引起,如式(4)所示:

(4)

其中,L′為標(biāo)距為L(zhǎng)的光纖受拉后的長(zhǎng)度,ε1…εn為各段混凝土的應(yīng)變值,d1…dn為各未開(kāi)裂段混凝土長(zhǎng)度,w1…wn為各條裂縫寬度值。

第3階段:裂縫穩(wěn)定發(fā)展階段,不再出現(xiàn)新裂縫,混凝土退出工作,光纖理論應(yīng)變僅由裂縫寬度變化引起:

(5)

1.3 混凝土裂縫光纖監(jiān)測(cè)的參數(shù)敏感性分析

作者在文獻(xiàn)[14]中提出了基于斜交裂縫組的裂縫光纖檢測(cè)技術(shù),如圖2所示。

圖2 斜交光纖組測(cè)試裂縫原理圖

當(dāng)裂縫穿過(guò)布設(shè)成一定角度的兩條傳感光纖后,裂縫寬度的變化將使每根光纖均產(chǎn)生長(zhǎng)度變化,其幾何關(guān)系如式(6)所示:

(6)

(7)

一般情況下,混凝土極限抗拉應(yīng)變?chǔ)舖ax分布在0.005%～0.027%,可通過(guò)混凝土標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度試驗(yàn)獲取。

裂縫開(kāi)展第1階段:長(zhǎng)度為300 mm標(biāo)距的光纖理論應(yīng)變?yōu)?0 με～270 με,通過(guò)式(7)的轉(zhuǎn)換系數(shù)可得光纖實(shí)測(cè)應(yīng)變?yōu)? με～37.8 με。由BOTDA測(cè)試技術(shù)可知,其自身存在±20 με的測(cè)試誤差,采用300 mm標(biāo)距的光纖傳感器測(cè)試時(shí),光纖所測(cè)應(yīng)變將淹沒(méi)在誤差中,因此本文后續(xù)試驗(yàn)研究設(shè)計(jì)了新型光纖布設(shè)方式。

裂縫開(kāi)展第2階段:裂縫寬度較小間距較大,此階段假設(shè)未開(kāi)裂的各段混凝土接近極限拉應(yīng)變。

ε1≈ε2≈…≈εn≈εmax

(8)

d1+d2+…+dn=L

(9)

(10)

取上式中εmax介于50 με至270 με,傳感器標(biāo)距300 mm,裂縫寬度從0.02 mm模擬至0.20 mm,則光纖預(yù)期所測(cè)試的應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表1 光纖應(yīng)變與裂縫寬度理論計(jì)算對(duì)應(yīng)表

由表1可知,裂縫寬度較小(w<0.10 mm)時(shí),光纖傳感器所測(cè)試應(yīng)變值較小,由參數(shù)敏感性分析可知,本文提出的方法可檢測(cè)規(guī)范[1]規(guī)定的最大裂縫寬度(0.2 mm)。同時(shí),BOTDA儀器的測(cè)試誤差為±20 με,對(duì)應(yīng)到裂縫寬度則表示存在約0.04 mm的測(cè)試誤差。

裂縫開(kāi)展第3階段:裂縫基本已經(jīng)形成,混凝土逐漸退出工作,裂縫出現(xiàn)迅速擴(kuò)展,裂縫寬度增加明顯,光纖所測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)能表征裂縫寬度增加的過(guò)程。

根據(jù)參數(shù)敏感性分析的結(jié)果,本文開(kāi)展了2種光纖裂縫測(cè)試方法:其中,鋼筋混凝土梁Ⅰ中將光纖布設(shè)在梁側(cè),采用全面粘結(jié)方式,用于監(jiān)測(cè)鋼筋混凝土梁的初始開(kāi)裂;梁Ⅱ的傳感光纖布設(shè)在梁底,采用斜交光纖組的方式監(jiān)測(cè)裂縫開(kāi)展過(guò)程。

2 混凝土初始開(kāi)裂識(shí)別試驗(yàn)研究

2.1 初始開(kāi)裂監(jiān)測(cè)光纖傳感器的布設(shè)

鋼筋混凝土梁尺寸2600 mm×150 mm×300 mm,混凝土強(qiáng)度C30,各配置兩根HRB335受拉主筋。將900 μm緊套光纖布設(shè)在梁體側(cè)面,由AB膠進(jìn)行全面粘結(jié)。采用3點(diǎn)加載的方式施加荷載,在跨中形成1.0 m的純彎曲段,此區(qū)間混凝土僅存在軸向拉應(yīng)變,不存在剪切應(yīng)變。將光纖斜向布設(shè)在該區(qū)域時(shí),僅有裂縫穿過(guò)才會(huì)使光纖產(chǎn)生拉應(yīng)變,純彎曲段光纖布設(shè)及試驗(yàn)布置如圖3所示。

圖3 混凝土初始裂縫識(shí)別試驗(yàn)布置圖

將傳感光纖以全面粘結(jié)的方式布設(shè)在梁側(cè),可識(shí)別裂縫沿著梁高方向的發(fā)展,共布設(shè)10段傳感光纖,各段傳感光纖與梁橫截面相交18.5°,每段長(zhǎng)度為315 mm,各段之間采用2.0 m冗余光纖連接。冗余光纖在測(cè)試過(guò)程中需保持穩(wěn)定,擺動(dòng)等機(jī)械運(yùn)動(dòng)會(huì)影響傳感段的測(cè)試應(yīng)變值。

2.2 初始開(kāi)裂識(shí)別試驗(yàn)結(jié)果分析

本文采用瑞士OMNISENS公司的DITEST STA-R型BOTDA傳感器,設(shè)置為空間分辨率0.5 m,采樣點(diǎn)間隔0.1 m,共分15個(gè)荷載等級(jí)進(jìn)行加載。混凝土初始開(kāi)裂發(fā)生在荷載等級(jí)為20 kN時(shí),此時(shí)1號(hào)裂縫剛好穿越⑧號(hào)傳感光纖。

由圖4可知,⑧號(hào)光纖處應(yīng)變相比其余各段傳感光纖急劇增加,裂縫觀測(cè)儀的跟蹤監(jiān)測(cè)表明,在⑧號(hào)光纖和梁底交界處出現(xiàn)了1號(hào)裂縫。同時(shí)還觀察到2、3號(hào)裂縫,但未穿越⑨號(hào)和⑩號(hào)傳感光纖,因此在測(cè)試曲線中僅發(fā)現(xiàn)一個(gè)突變峰。

圖4 荷載等級(jí)20 kN時(shí)光纖應(yīng)變測(cè)試曲線

圖5為荷載等級(jí)達(dá)92 kN時(shí)光纖的測(cè)試應(yīng)變曲線,由圖中可知各段傳感光纖均已感應(yīng)到裂縫信息,同時(shí)各段光纖的應(yīng)變值大小不同,將各段傳感光纖的最大值繪制如圖6所示。

圖5 荷載等級(jí)92 kN時(shí)光纖應(yīng)變測(cè)試曲線

圖6 各光纖傳感器應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線

曲線表明,各段光纖傳感器在不同的荷載等級(jí)時(shí)出現(xiàn)跳躍,②號(hào)光纖中穿越的5號(hào)裂縫寬度最大,而⑤號(hào)光纖無(wú)任何裂縫穿越,上述現(xiàn)象和裂縫觀測(cè)儀記錄的現(xiàn)象一致,將各裂縫形成時(shí)的荷載等級(jí),及裂縫穿越傳感光纖前后的光纖應(yīng)變統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 梁Ⅰ裂縫寬度及光纖測(cè)試應(yīng)變記錄表

通過(guò)對(duì)比相鄰2個(gè)荷載等級(jí)下的光纖應(yīng)變變化,其突變值較大說(shuō)明該段光纖處存在明顯的應(yīng)變改變,由前面分析可知純彎曲段內(nèi)斜向布置的光纖不受梁體應(yīng)變影響,因此該變化時(shí)刻可認(rèn)定為裂縫高度達(dá)到該位置的時(shí)刻。結(jié)果說(shuō)明,上述布置方式可監(jiān)測(cè)到混凝土的初始開(kāi)裂時(shí)刻。

3 混凝土裂縫寬度的跟蹤監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究

3.1 裂縫寬度監(jiān)測(cè)光纖傳感器布置

將光纖布設(shè)在梁Ⅱ的底面,梁Ⅱ?yàn)殇?混組合結(jié)構(gòu),鋼梁為矩形截面,混凝土等級(jí)為C50,混凝土翼緣高70 mm,寬450 mm,翼緣為本文提供了足夠?qū)挾鹊墓饫w布設(shè)空間,試驗(yàn)布置及光纖在梁底的布設(shè)如圖7所示。光纖傳感器采用點(diǎn)式進(jìn)行粘結(jié),光纖標(biāo)距為300 mm,梁底布設(shè)了5個(gè)電阻應(yīng)變片。

圖7 裂縫寬度跟蹤監(jiān)測(cè)試驗(yàn)布置圖

加載過(guò)程從0 kN至240 kN分級(jí)加載,最大荷載240 kN為預(yù)估極限荷載的70%左右。本試驗(yàn)重點(diǎn)考察光纖在裂縫監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用,因此詳細(xì)記錄了試驗(yàn)梁的裂縫開(kāi)展過(guò)程。

3.2 結(jié)果分析

在每級(jí)荷載下,記錄裂縫的發(fā)展情況,使用裂縫觀測(cè)儀記錄每條裂縫寬度的發(fā)展情況。加載過(guò)程后的裂縫發(fā)展過(guò)程如圖8所示。

圖8 光纖布設(shè)區(qū)域梁底裂縫開(kāi)展圖

試驗(yàn)過(guò)程中裂縫并非完全對(duì)稱開(kāi)展,而是隨著荷載等級(jí)從梁一側(cè)逐級(jí)擴(kuò)展另一側(cè),穿越光纖組的裂縫編號(hào)分別為2、5、8,三條裂縫的具體信息如表3所示。

表3 梁Ⅱ裂縫寬度詳細(xì)記錄表

在梁底布設(shè)的5只應(yīng)變片在荷載等級(jí)達(dá)到140 kN時(shí),因裂縫穿過(guò)使測(cè)試值急劇增加,無(wú)法表征混凝土應(yīng)變大小。5只應(yīng)變片記錄的開(kāi)裂前最大混凝土應(yīng)變的平均值為257 με,以此作為本梁的混凝土極限拉應(yīng)變值(εmax)。由裂縫的發(fā)展過(guò)程可知,荷載80kN為混凝土的初裂荷載,荷載達(dá)到200 kN以后裂縫已處于穩(wěn)定發(fā)展階段不再出現(xiàn)新的裂縫,因此以80 kN和200 kN作為裂縫開(kāi)展第2階段和第3階段的起始荷載。依據(jù)2.3節(jié)的理論分析,將裂縫寬度換算成光纖測(cè)試應(yīng)變,如表4所示。

由于荷載等級(jí)大于260 kN以后,梁支座處出現(xiàn)較大的裂縫,鑒于安全考慮未采用裂縫觀測(cè)儀進(jìn)行裂縫觀測(cè)。由上表可知,將300 mm光纖傳感器安裝在梁底進(jìn)行裂縫監(jiān)測(cè)時(shí),光纖(④、⑤號(hào)光纖)和裂縫之間的夾角較小,光纖測(cè)試應(yīng)變推算值非常小,受測(cè)試精度影響難以識(shí)別裂縫寬度。光纖傳感器測(cè)試應(yīng)變值和光纖測(cè)試應(yīng)變推算值的對(duì)比曲線如圖9所示。

表4 梁Ⅱ裂縫引起光纖應(yīng)變推算值

圖9 光纖實(shí)測(cè)值與推算值對(duì)比圖

由圖9可知,由裂縫寬度和理論分析得出的光纖應(yīng)變推算值和光纖實(shí)測(cè)值之間存在一定的差距,其中實(shí)測(cè)光纖值隨著荷載的增加而平滑增加,而光纖應(yīng)變推算值在200 kN前存在一定波動(dòng)。該波動(dòng)主要是因?yàn)榱旱组_(kāi)裂時(shí),周圍混凝土應(yīng)力釋放。本文假設(shè)梁底開(kāi)裂時(shí),裂縫周圍混凝土依然處于極限拉應(yīng)變狀態(tài),該假設(shè)會(huì)造成推算處的光纖應(yīng)變偏大,因此出現(xiàn)上圖中的波動(dòng)現(xiàn)象。

本文在試驗(yàn)過(guò)程中粘貼了80 mm標(biāo)距應(yīng)變片,獲取了混凝土極限拉應(yīng)變,但是裂縫開(kāi)展并貫穿應(yīng)變片后,應(yīng)變片失效退出工作,本文沒(méi)有記錄裂縫開(kāi)展引起的應(yīng)力釋放全過(guò)程。后續(xù)研究中,可選擇小標(biāo)距(5.0 mm)的電阻應(yīng)變片或者裸光纖光柵FBG傳感器(柵格長(zhǎng)度約為5.0 mm)沿著應(yīng)力方向布置,記錄混凝土應(yīng)力釋放過(guò)程,作為BOTDA數(shù)據(jù)的修正,需要注意的是選擇傳感器粘貼部位時(shí)應(yīng)避開(kāi)混凝土粗骨料(石子),因?yàn)槭芰^(guò)程中粗骨料不存在應(yīng)變。

4 結(jié)論與展望

本文從理論研究出發(fā)分析了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫開(kāi)展過(guò)程中的應(yīng)變變化,提出了受彎裂縫的梁側(cè)斜向布置和梁底斜交裂縫組的監(jiān)測(cè)方法,通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了上述方法的有效性,得出如下結(jié)論:①混凝土開(kāi)裂過(guò)程存在三階段過(guò)程,通過(guò)合理的光纖布設(shè)方式可實(shí)現(xiàn)初始開(kāi)裂識(shí)別,裂縫寬度跟蹤監(jiān)測(cè);②鋼筋混凝土構(gòu)件的受彎裂縫是垂直于梁的長(zhǎng)度方向,沿著梁高開(kāi)展的。本文采用的梁側(cè)斜向光纖布設(shè)方式不受混凝土受彎應(yīng)變的影響,全面粘結(jié)方式增加了傳感器的敏感性。試驗(yàn)表明,上述布設(shè)方式可準(zhǔn)確的撲捉到裂縫的開(kāi)展過(guò)程;③依據(jù)斜交光纖組的測(cè)試應(yīng)變可推算出穿過(guò)光纖的裂縫寬度,裂縫寬度的增加和光纖應(yīng)變間存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。受限于儀器的測(cè)試精度,換算成裂縫寬度則存在0.04 mm測(cè)試誤差,但本文提出的光纖布設(shè)方式對(duì)大裂縫的監(jiān)測(cè)精度較高。

本文采用的BOTDA的最小空間分辨率為0.5 m,目前最小空間分辨率可達(dá)0.2 m。如采用上述空間分辨率的解調(diào)儀將大幅提高測(cè)試精度,精確的估算裂縫寬度。本文研究成果特別適用于大體積澆筑的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè),如舟山跨海大橋的拉索錨室,常年處于高濕度狀態(tài),傳統(tǒng)傳感器無(wú)法正常工作,后期將開(kāi)展工程應(yīng)用。

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毛江鴻(1985-),男,博士,講師,主要研究方向?yàn)榉植际焦饫w傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用,jhmao@nit.zju.edu.cn;

崔磊(1982-),男,博士,講師,主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)損傷識(shí)別及其在土木工程中的應(yīng)用,lcui@zju.edu.cn;

金偉良(1961-),男,教授,博士生導(dǎo)師,浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院院長(zhǎng),學(xué)術(shù)方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)可靠度及耐久性。

ExperimentalResearchonConcreteCrackRecognizingandMonitoringBasedonDistributedFiberSensor*

MAOJianghong1,CUILei1*,JINWeiliang1,2,XUChen2,HEYong2,RENXuchu3,YANGFan3

(1.Ningbo Institute of Technology,Zhejiang University,Ningbo Zhejiang 315100,China;2.Institute of Structural Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;3.Zhejiang Zhoushan Cross-sea Bridge Co.,Ltd.,Ningbo Zhejiang 315040,China)

The leakage and steel corrosion would become serious issues once the crack widths exceed the specified values. It will bring negative affection to the integrity and safety of reinforced concrete structure. Therefore,cracking monitoring acts as an important role for structures safety evaluation. Distributed optical fiber sensor(BOTDA/R)can effectively avoid undetected phenomenon existed in point-wise test method. In this paper,the cracking mechanization of reinforced concrete was illustrated. The parameter sensitivity of cracking monitoring method based on obliquely intersected fibers presented in previous paper was learned. The results shown that the method could recognize and follow the development of cracks whose width was larger than 0.04 mm. The fiber layout method was improved for micro-crack monitoring,this novel method could detect the cracking moment and route of tiny cracks. The effectiveness of presented method was approved by carrying out the static loading experiments.

concrete structure;cracking monitoring;crack propagation;optical fiber sensor;BOTDA

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51408544,51208459);浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LQ14E080007);寧波市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013A610191);寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2011B81005)

2014-05-06修改日期:2014-06-19

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.09.025

TU317.3

:A

:1004-1699(2014)09-1298-07