裝配式地鐵車站節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)混凝土裂縫監(jiān)測與識別的研究

楊雨冰，盧明健，劉超

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

地鐵車站一般為2~3層的地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土開裂勢必引起地鐵站點(diǎn)的滲漏問題。于連山等[1]統(tǒng)計(jì)了11個已建地鐵車站工程裂縫的分布特征，總結(jié)了結(jié)構(gòu)裂縫的主要表現(xiàn)形式。何廣[2]采用分布式測溫光纜對軟土地區(qū)軌道交通車站主體結(jié)構(gòu)開裂溫度效應(yīng)開展了研究。以上研究都是主要關(guān)注施工期混凝土裂縫的特征、形成原因和控制方法。然而，在漫長的運(yùn)營期中，也有必要對混凝土結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行監(jiān)測，以便及時發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)部位及其程度，并對結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行評估。近10年來，因具有高精度、耐久、易于實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)，分布式光纖技術(shù)被大量應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫監(jiān)測中[3-6]，其中一般采用的是基于布里淵光頻域分析(BOFDA)、布里淵光時域分析(BOTDA)、布里淵光時域反射計(jì)(BOTDR)等的分布式光纖技術(shù)。其中BOFDA測試方法的優(yōu)勢主要在于其空間分辨率較高，而BOTDR以及BOTDA測試則均因其測量距離長以及空間分辨率高的優(yōu)點(diǎn)倍受青睞，但是基于布里淵散射的測試方法的缺點(diǎn)也相對明顯，其測試時間長、測試系統(tǒng)較復(fù)雜，對分布式光纖系統(tǒng)布設(shè)的精細(xì)度要求高。相比于布里淵散射的測試方法，基于瑞利散射的光學(xué)頻域反射計(jì)(OFDR)在克服了前者缺陷的同時能保證高精度的測量，但OFDR測試技術(shù)因其測量距離較短而適合用于小型構(gòu)件的監(jiān)測分析。由于具有高空間分辨率應(yīng)變測量的優(yōu)勢，基于光學(xué)頻域反射計(jì)(OFDR)的分布式光纖技術(shù)在裂縫監(jiān)測中逐漸得到了應(yīng)用[7-12]。例如，吳靜紅等[9-11]通過開展梁模型試驗(yàn)研究，認(rèn)為采用OFDR技術(shù)得到的裂縫定位結(jié)果和對裂縫發(fā)展的監(jiān)測結(jié)果更加準(zhǔn)確；LIU等[12]采用基于OFDR技術(shù)的分布式光纖系統(tǒng)對裝配式地鐵車站節(jié)點(diǎn)單調(diào)加載試驗(yàn)中的混凝土支撐開裂過程進(jìn)行了監(jiān)測。本文以某裝配式地鐵車站的地下連續(xù)墻-腰梁-支撐節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)為背景[13-15]，將基于OFDR技術(shù)的分布式光纖測試系統(tǒng)用于低周循環(huán)加載情況下混凝土裂縫的識別和精準(zhǔn)定位，并與單調(diào)加載情況下光纖應(yīng)變結(jié)果的進(jìn)行對比，研究不同加載條件下分布式光纖應(yīng)變曲線的特征以及裂縫識別和定位性能的差異。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)裝置以及加載方式

為探究某新型裝配地鐵車站地下連續(xù)墻-腰梁-支撐節(jié)點(diǎn)的抗震性能，開展了節(jié)點(diǎn)的低周循環(huán)加載試驗(yàn)。試驗(yàn)構(gòu)件如圖1所示，其中地下連續(xù)墻的截面尺寸為4.0 m×1.2 m，長4.5 m；腰梁的截面尺寸0.8 m×1.0 m，長4.5 m；支撐的截面尺寸0.7 m×1.6 m，長度1.0 m。

圖1 試驗(yàn)構(gòu)件尺寸Fig.1 Configuration of test specimen

試驗(yàn)裝置如圖2所示。為實(shí)現(xiàn)循環(huán)加載，在支撐加載點(diǎn)的上、下表面分別設(shè)置液壓千斤頂，能施加的最大荷載為3 000 kN。加載位置為支撐右端部，加載中心距離端部為0.15 m。圖3為荷載施加的步驟以及等級情況。

圖2 低周循環(huán)加載試驗(yàn)裝置圖Fig.2 Test setup for the low cycle loding

圖3 低周循環(huán)加載試驗(yàn)中的荷載施加步驟及等級Fig.3 Load application steps and grades in low-cycle cyclic loading test

1.2 分布式光纖傳感系統(tǒng)布設(shè)

本試驗(yàn)共在支撐內(nèi)部鋼筋表面部署了11根光纖，總體呈“C”型分布，以便于形成一個較為敏感的傳感系統(tǒng)，用于監(jiān)測支撐頂面、底面以及側(cè)面的裂縫發(fā)生以及發(fā)展，如圖4(a)所示。光纖的連接方式為：從光纖A開始，按字母順序采用頭尾相連的方式熔接，到光纖K結(jié)束，如圖4(b)和4(c)所示。為保護(hù)過渡區(qū)以外的光纖，避免光纖在混凝土澆搗過程中發(fā)生損壞，在光纖外套上了小橡膠管。試驗(yàn)中采用JUNNO公司生產(chǎn)的Semicon OSI-S型OFDR分布式光纖解調(diào)儀，其最大測量距離100 m，空間分辨率最大可達(dá)1 mm，傳感精度為1 με[9-10]。

圖4 光纖連接及布置圖Fig.4 Connection and distribution of optical fibers

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 荷載-位移曲線

試件加載點(diǎn)處的荷載-位移曲線如圖5所示。

圖5 試件加載點(diǎn)處荷載-位移曲線Fig.5 Load-displacement curve of test specimen

由圖5可知，支撐開裂后仍處于彈性階段，荷載位移曲線斜率并未明顯減小，說明支撐仍有充足的強(qiáng)度儲備；隨著荷載持續(xù)增加，支撐頂面與側(cè)面的裂縫達(dá)到0.84 mm，0.44 mm；正向加載時，支撐屈服后剛度開始降低，承載力有所提升，隨后達(dá)到極限荷載為2 657 kN；負(fù)向加載時，支撐屈服后，其剛度和承載力都出現(xiàn)了下降的趨勢。

2.1.1 支撐頂面

由圖6可知，當(dāng)正向荷載為280 kN時，支撐頂面內(nèi)側(cè)出現(xiàn)第1條裂縫C 1；當(dāng)荷載增大到600 kN，滑移比δ=0.5%時，支撐頂面新增7條裂縫，分別為C2～C8，此時最大裂縫寬度為0.16 mm；當(dāng)荷載繼續(xù)增大到1 000 kN，滑移比δ=0.8%時，支撐頂面新增5條裂縫，分別為C9～C13，此時最大裂縫寬度為0.30 mm。在正向加載過程中，支撐頂面的裂縫分布整齊，裂縫寬度大，并沿軸向延伸至加載點(diǎn)附近。

圖6 正向加載時的裂縫編號及荷載-位移/裂縫寬度曲線Fig.6 Crack numbering,loding-displacement curves and loading-crack width curve for downward loding

2.1.2 支撐側(cè)面

理論上，試驗(yàn)中的負(fù)向加載引起的微應(yīng)變應(yīng)與支撐底面的裂縫相對應(yīng)進(jìn)行分析，但在加載過程中人為拍攝支撐底面裂縫的行為存在一定風(fēng)險(xiǎn)。由圖7(a)可知，支撐側(cè)面裂縫分布較為復(fù)雜，因正向和負(fù)向加載交替進(jìn)行而呈“側(cè)八字形”分布。因此，選取支撐側(cè)面下半部分裂縫與負(fù)向加載引起的微應(yīng)變進(jìn)行分析。

圖7 負(fù)向加載時的裂縫編號及荷載-位移/裂縫寬度曲線Fig.7 Crack numbering,loding-displacement curves and loading-crack width curves for upward loding

由圖7可知，當(dāng)負(fù)向荷載為320 kN時，支撐側(cè)面新增1條裂縫為C 1；當(dāng)荷載增大到400 kN，滑移δ=0.6%時，支撐側(cè)面新增2條裂縫，分別為C2和C3，此時最大裂縫寬度為0.14 mm；當(dāng)荷載增加至700 kN，滑移比δ=0.8%時，支撐側(cè)面新增8條裂縫，分別為C4～C11，此時最大裂縫寬度為0.20 mm。

由圖6(b)和圖7(b)對比可知，正向加載時支撐頂面對應(yīng)裂縫的寬度大于負(fù)向加載時支撐側(cè)面對應(yīng)裂縫的寬度，且荷載等級越大，差異越明顯。此外，與正向加載相比，負(fù)向加載引起的滑移比更大。

結(jié)合圖6和圖7，可對支撐的裂縫開展過程做如下總結(jié)：1)當(dāng)滑移比δ小于1.0%時，支撐頂面和側(cè)面出現(xiàn)若干裂縫，裂縫間隔相當(dāng)，裂縫之間基本無交集；2)當(dāng)滑移比δ大于1.0%時，裂縫的數(shù)量和寬度均急劇上升，裂縫間隔較小，裂縫之間出現(xiàn)多處交集。

3 光纖應(yīng)變分析與裂縫識別

試驗(yàn)以鋼筋屈服點(diǎn)為界限分為力控制階段和位移控制階段。由于分布式光纖在鋼筋屈服之后所捕捉到的應(yīng)變數(shù)據(jù)波動較大，故主要以低周循環(huán)加載試驗(yàn)在力控制階段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為對象進(jìn)行分析。

3.1 正向加載工況

圖8(a)為滑移比δ=0.5%和0.8%時支撐頂面的裂縫分布圖，其中虛線和點(diǎn)線裂縫分別為600 kN，1 000 kN荷載下的新增裂縫；圖8(b)和8(c)分別為此時支撐頂面光纖A和C的應(yīng)變分布圖。

以較為平直的裂縫C7為代表，分析光纖應(yīng)變的裂縫識別性能。圖8(a)顯示該裂縫距離支撐與腰梁交界面約為0.8 m且與光纖A和C均有交點(diǎn)，圖8(b)和8(c)顯示光纖A和C在橫坐標(biāo)0.8 m處附近的位置均出現(xiàn)了非常明顯的局部尖峰。具體表現(xiàn)為光纖A在橫坐標(biāo)0.72～0.76 m處出現(xiàn)局部尖峰，光纖C在橫坐標(biāo)0.8 m處出現(xiàn)局部尖峰，2處光纖捕捉到的尖峰位置有一定的偏差。

通過對圖8的分析，可得到如下結(jié)論：1)在低周循環(huán)加載試驗(yàn)中，隨著加載等級的增加，所有光纖的應(yīng)變曲線的局部尖峰數(shù)量均急劇增加；2)光纖應(yīng)變曲線的局部尖峰位置與支撐頂面出現(xiàn)的裂縫及其位置基本吻合，因此可認(rèn)為裂縫發(fā)生及發(fā)展的位置可以通過光纖應(yīng)變曲線的局部尖峰識別；3)布設(shè)于不同位置光纖對于同一條裂縫的定位有一定差別，說明通過對分布式光纖應(yīng)變曲線的分析不僅能識別裂縫，還能判斷裂縫在的具體形狀(主要指水平方向)。這與其他學(xué)者在單調(diào)加載試驗(yàn)中得到的結(jié)論一致[9-12]。

此外，由圖8(c)可知，當(dāng)滑移比δ=0.5%時光纖C的應(yīng)變曲線出現(xiàn)了局部尖峰P1，預(yù)測其為支撐內(nèi)部微裂縫；當(dāng)滑移比δ=0.8%時，光纖C在同一位置的局部尖峰的峰值更大，可對應(yīng)支撐頂部表面裂縫C10。由此可認(rèn)為該分布式光纖傳感系統(tǒng)可捕捉到鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫的發(fā)展過程。

圖8 正向加載時的裂縫分布及光纖應(yīng)變曲線Fig.8 Crack distribution and fiber strain profiles for downward loding

3.2 負(fù)向加載工況

圖9(a)為滑移比δ=0.6%和0.8%時支撐側(cè)面的裂縫分布圖，其中虛線和點(diǎn)線裂縫分別為400 kN，700 kN荷載下的新增裂縫；圖9(b)和9(c)分別為此時光纖H和F的應(yīng)變分布圖，其中光纖H位于支撐底部，光纖F位于支撐側(cè)面。

圖9 負(fù)向加載時的裂縫分布及光纖應(yīng)變圖Fig.9 Crack distribution and fiber strain profiles for upward loding

以非平直的裂縫C11為代表進(jìn)行分析，它與光纖H和F均有交點(diǎn)，在支撐底部以上10 cm的位置存在一個約為45°的右轉(zhuǎn)折，如圖9(a)所示。C11接近支撐底面10 cm部分較為平直，超過支撐底面10 cm部分形狀近似于斜直線，其橫坐標(biāo)位于1.10～1.20 m之間。如圖9(b)和9(c)所示，光纖H和F在橫坐標(biāo)1.10～1.20 m之間均出現(xiàn)了非常明顯的局部尖峰，比如光纖H在橫坐標(biāo)1.10 m處出現(xiàn)局部尖峰，光纖F在橫坐標(biāo)1.20 m處出現(xiàn)局部尖峰。

光纖H到F在相應(yīng)位置的橫坐標(biāo)減小，即光纖應(yīng)變說明裂縫C1在垂直方向上向右偏移，這與裂縫C11實(shí)際上的裂縫形狀完全吻合。這同樣表明分布式光纖傳感可以判斷裂縫的具體形狀(主要指垂直方向)。

需要說明的是，由于光纖布設(shè)的位置大部分位于支撐頂部以及底部的鋼筋表面，光纖與部分位于支撐中間的裂縫缺少交集，因此難以監(jiān)測到出現(xiàn)在支撐側(cè)面中間的裂縫，如C7，C8和C9。

4 不同加載方式下的光纖應(yīng)變對比

LIU等[12]對該節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)在單調(diào)加載所得的光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，現(xiàn)將本次試驗(yàn)所得結(jié)果與單調(diào)加載試驗(yàn)所測得的光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。在單調(diào)加載試驗(yàn)中，其加載過程見文獻(xiàn)[12]。

4.1 荷載-位移曲線對比

2次試驗(yàn)的荷載-位移曲線對比如圖10所示。由圖可知，在2次加載中試件均在約2 100 kN時達(dá)到屈服，隨后均在2 600 kN左右達(dá)到極限承載力。然而，在低周循環(huán)加載試驗(yàn)中，試件達(dá)到極限承載力后，其崩壞速度遠(yuǎn)快于單調(diào)加載時。

圖10 2次試驗(yàn)的荷載-位移曲線對比Fig.10 Comparison of load-displacment curves

4.2 裂縫寬度對比

將低周循環(huán)加載中正向加載時的最大裂縫寬度與同一荷載等級下單調(diào)荷載時的進(jìn)行對比，如圖11所示。

圖11 同級荷載下的最大裂縫寬度對比匯總圖Fig.11 Comparison of maximum crack width

由圖可知，在加載方向相同且加載級數(shù)相等的情況下，低周循環(huán)加載試驗(yàn)在前5級荷載下造成的最大裂縫寬度均更小，在第6級荷載造成的最大裂縫寬度相等。

4.3 光纖應(yīng)變曲線對比

為對比分布式光纖傳感系統(tǒng)在2次試驗(yàn)中所測得的應(yīng)變分布情況的區(qū)別，現(xiàn)將2次試驗(yàn)中位置相同或者對稱的光纖的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。單調(diào)加載試驗(yàn)中的光纖布置圖見參考文獻(xiàn)[12]。

將低周循環(huán)加載試驗(yàn)中光纖A的應(yīng)變數(shù)據(jù)與單調(diào)加載試驗(yàn)中的光纖B的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，后文簡稱“低周A”和“單調(diào)B”，如圖12所示。

由圖12可知，在600 kN和1 000 kN荷載水平下，2根光纖測得的應(yīng)變分布曲線及其發(fā)展趨勢均高度吻合。隨著荷載的增大，微應(yīng)變局部尖峰增多。與單調(diào)加載試驗(yàn)相比，在同一荷載水平下，在低周循環(huán)加載試驗(yàn)中光纖應(yīng)變曲線的局部尖峰更多、更密集但峰值更小，這增加了裂縫識別以及形狀判斷的難度；同時這也表明低周循環(huán)加載造成的裂縫更多，但寬度更小，與現(xiàn)場觀察到的現(xiàn)象一致。

圖12 低周A和單調(diào)B的光纖應(yīng)變分布圖Fig.12 Strain profiles of fibers on rebar A in low cycle loding and rebar B in monotonic loading

綜上所述，與低周循環(huán)加載試驗(yàn)相比，單調(diào)加載中的光纖應(yīng)變曲線局部尖峰更少、峰值更大，這更易于裂縫的識別和精準(zhǔn)定位；在低周循環(huán)加載與單調(diào)加載2次試驗(yàn)中，位于支撐頂部中間的光纖應(yīng)變曲線及其發(fā)展趨勢極為相似，可認(rèn)為混凝土在該位置的受損程度相似。

5 結(jié)論

1)在低周循環(huán)加載試驗(yàn)中，通過光纖應(yīng)變曲線的局部尖峰仍然可以識別和定位混凝土裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，這與單調(diào)加載試驗(yàn)結(jié)果一致。

2)基于OFDR分布式光纖技術(shù)，可以通過合理布置的多條光纖實(shí)現(xiàn)對同一條裂縫的精準(zhǔn)定位，并判斷裂縫在混凝土表面上的走向和在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的發(fā)展過程。

3)與低周循環(huán)加載試驗(yàn)相比，單調(diào)加載中的光纖應(yīng)變曲線局部尖峰更少、峰值更大，更易于裂縫的識別和精準(zhǔn)定位，這同時表明在單調(diào)加載實(shí)驗(yàn)中試件出現(xiàn)的裂縫數(shù)量更少，但裂縫寬度更大。