基于分布式光纖傳感的混凝土裂縫識別與監測試驗研究*

毛江鴻,崔 磊*,金偉良,,許 晨,何 勇,任旭初,楊 帆

(1.浙江大學寧波理工學院,浙江 寧波 315100;2.浙江大學結構工程研究所,杭州 3100583.浙江舟山跨海大橋有限公司,浙江 寧波 315040)

?

基于分布式光纖傳感的混凝土裂縫識別與監測試驗研究*

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.浙江大學寧波理工學院,浙江 寧波 315100;2.浙江大學結構工程研究所,杭州 3100583.浙江舟山跨海大橋有限公司,浙江 寧波 315040)

鋼筋混凝土結構的裂縫寬度超過規范限值后會引起滲水、鋼筋銹蝕等問題,破壞混凝土結構的整體性和安全性。結構裂縫監測是評估結構安全性的重要依據之一,分布式光纖裂縫監測技術(BOTDA/R)可有效避免點式檢測空間不連續造成的漏檢現象。本文根據鋼筋混凝土結構裂縫形成機理和前期研究提出的斜交光纖組裂縫監測方法,對混凝土裂縫光纖監測進行了參數敏感性分析。分析結果表明采用斜交光纖組可跟蹤監測寬度大于0.04mm以上的裂縫發生及開展過程。依據分析結果,本文改進了光纖布設方式監測混凝土微裂縫,實現了微裂縫的發生及開裂路徑的監測。本文通過鋼筋混凝土梁的靜載試驗,分別驗證了梁側全面粘結光纖的微裂縫識別和梁底斜交光纖組的裂縫寬度跟蹤監測的有效性。

混凝土結構;裂縫監測;裂縫擴展;光纖傳感;BOTDA

土木工程領域的大多數鋼筋混凝土結構是帶裂縫工作,世界各國對混凝土都有一個允許裂縫寬度的限值,我國混凝土結構設計規范規定,依據不同的環境類別設置的允許裂縫寬度范圍為0.2 mm～0.4 mm[1]。裂縫超過允許裂縫寬度后會引起滲水、鋼筋銹蝕等問題,破壞混凝土結構的整體性和安全性。國內外工程界和科學界也提出了許多裂縫控制措施[2],針對性地控制溫度收縮、大體積澆筑等不利條件引起的開裂。如果能通過技術手段識別和跟蹤監測混凝土結構裂縫,可為工程結構的運營管理提供有效的數據支持。

目前,常用的裂縫檢測方法包括傳統裂縫觀測儀和裂紋擴展片以及新型的光彈貼片和聲發射技術等,均能準確獲取裂縫開展過程[3]。上述技術多依賴于技術人員定期巡檢,存在人為誤差、高空作業等不足,同時裂縫具有顯著的時空隨機性特點,難以實現結構裂縫的全面、長期、實時自動監測。光纖傳感技術,特別是分布式光纖傳感技術,包括拉曼散射(OTDR)和布里淵光時域反射(BOTDA/R)可有效避免點式檢測過程空間不連續造成的漏檢現象。Leung[4-5]提出基于OTDR的光纖微彎引起光強損耗監測裂縫開展,并對拉伸和剪切裂縫進行了理論研究,劉浩吾等人[6-7]進行了該方面試驗研究并為工程應用開展基礎研究;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監測裂縫是利用光損和裂縫存在關聯性開展的,存在的主要問題是光纖沿線某處的光損會引起動態范圍降低,從而造成線路失效。

布里淵光時域分析計(BOTDA)作為近十幾年引入國內的分布式光纖傳感技術,主要針對大型、長距離的基礎工程進行健康監測,已在隧道、基坑等工程應變監測中應用[9-10],將其應用于結構裂縫監測相對較少。Lu[11]等人將BOTDA裂縫監測技術應用于某瀝青鋪裝層的裂縫監測中;錢振東[12]等人開展了基于BOTDA的橋面板疲勞裂縫監測研究,利用光纖應變建立疲勞裂縫擴展模型。施斌[13]等人近期開展了基于BOTDR的地裂縫監測,可識別0.1 mm的地裂縫寬度變化。

上述文獻未開展光纖應變和裂縫寬度及走向的定量分析,作者在文獻[14]中提出了BOTDA技術結合斜交光纖組的裂縫監測方法,通過理論分析建立了光纖應變和裂縫寬度及走向的數值關系,并標定了300 mm標距的光纖裂縫傳感器實測應變和裂縫寬度及夾角的定量關系。本文在前文研究基礎上,結合鋼筋混凝土裂縫發生及發展的特點,采用梁側全面粘貼和斜交裂縫組的方式對裂縫發展進行了識別和寬度跟蹤監測試驗研究。

1 基于BOTDA的混凝土初裂識別與裂寬監測原理

1.1 分布光纖傳感技術(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變和溫度變化之間的線性關系,通過測量布里淵散射頻移量vB獲取光纖沿線溫度和應變的分布信息。光纖應變量、溫度變化量與布里淵頻率漂移量之間的關系如式(1)所示[15]:

(1)

式中,vB(0)為初始應變、初始溫度時布里淵頻率頻移量,vB(ε,T)為在應變ε、溫度T時布里淵頻率漂移量,dvB/dT溫度比例系數,dvB/dε為應變比例系數,T-T0為光纖溫度差;ε為光纖應變變化量。分布式光纖應變傳感技術可對結構應變進行分布式檢測,但由于入射光存在脈沖寬度限制使得該技術需考慮空間分辨率影響。采樣點的應變數據實際上是一段光纖內應變的綜合反映[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測原理

混凝土裂縫的開展過程主要經歷以下3個階段:第1階段為裂縫形成階段,混凝土應變逐漸增加至混凝土極限拉應變;第2階段為裂縫發展階段:混凝土首先出現1條主裂縫(w1),裂縫周邊混凝土應力釋放但仍然處于受拉狀態,隨著荷載持續增加,則將相繼出現多條裂縫(w1至wn),裂縫間混凝土應力逐漸釋放;第3階段為裂縫穩定開展階段,混凝土完全退出工作,形成多裂縫分布。采用分布式光纖監測裂縫的光纖布置如圖1所示。

圖1 BOTDA監測鋼筋混凝土開裂原理

因此,對應第1階段的光纖理論應變僅為混凝土應變:

εf=ε1

(3)

其中,εf為光纖測試應變,ε1為混凝土應變值,其值小于混凝土極限拉應變。

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

(4)

其中,L′為標距為L的光纖受拉后的長度,ε1…εn為各段混凝土的應變值,d1…dn為各未開裂段混凝土長度,w1…wn為各條裂縫寬度值。

第3階段:裂縫穩定發展階段,不再出現新裂縫,混凝土退出工作,光纖理論應變僅由裂縫寬度變化引起:

(5)

1.3 混凝土裂縫光纖監測的參數敏感性分析

作者在文獻[14]中提出了基于斜交裂縫組的裂縫光纖檢測技術,如圖2所示。

圖2 斜交光纖組測試裂縫原理圖

當裂縫穿過布設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生長度變化,其幾何關系如式(6)所示:

(6)

(7)

一般情況下,混凝土極限抗拉應變εmax分布在0.005%～0.027%,可通過混凝土標準強度試驗獲取。

裂縫開展第1階段:長度為300 mm標距的光纖理論應變為50 με～270 με,通過式(7)的轉換系數可得光纖實測應變為7 με～37.8 με。由BOTDA測試技術可知,其自身存在±20 με的測試誤差,采用300 mm標距的光纖傳感器測試時,光纖所測應變將淹沒在誤差中,因此本文后續試驗研究設計了新型光纖布設方式。

裂縫開展第2階段:裂縫寬度較小間距較大,此階段假設未開裂的各段混凝土接近極限拉應變。

ε1≈ε2≈…≈εn≈εmax

(8)

d1+d2+…+dn=L

(9)

(10)

取上式中εmax介于50 με至270 με,傳感器標距300 mm,裂縫寬度從0.02 mm模擬至0.20 mm,則光纖預期所測試的應變如表1所示。

表1 光纖應變與裂縫寬度理論計算對應表

由表1可知,裂縫寬度較小(w<0.10 mm)時,光纖傳感器所測試應變值較小,由參數敏感性分析可知,本文提出的方法可檢測規范[1]規定的最大裂縫寬度(0.2 mm)。同時,BOTDA儀器的測試誤差為±20 με,對應到裂縫寬度則表示存在約0.04 mm的測試誤差。

裂縫開展第3階段:裂縫基本已經形成,混凝土逐漸退出工作,裂縫出現迅速擴展,裂縫寬度增加明顯,光纖所測應變數據能表征裂縫寬度增加的過程。

根據參數敏感性分析的結果,本文開展了2種光纖裂縫測試方法:其中,鋼筋混凝土梁Ⅰ中將光纖布設在梁側,采用全面粘結方式,用于監測鋼筋混凝土梁的初始開裂;梁Ⅱ的傳感光纖布設在梁底,采用斜交光纖組的方式監測裂縫開展過程。

2 混凝土初始開裂識別試驗研究

2.1 初始開裂監測光纖傳感器的布設

鋼筋混凝土梁尺寸2600 mm×150 mm×300 mm,混凝土強度C30,各配置兩根HRB335受拉主筋。將900 μm緊套光纖布設在梁體側面,由AB膠進行全面粘結。采用3點加載的方式施加荷載,在跨中形成1.0 m的純彎曲段,此區間混凝土僅存在軸向拉應變,不存在剪切應變。將光纖斜向布設在該區域時,僅有裂縫穿過才會使光纖產生拉應變,純彎曲段光纖布設及試驗布置如圖3所示。

圖3 混凝土初始裂縫識別試驗布置圖

將傳感光纖以全面粘結的方式布設在梁側,可識別裂縫沿著梁高方向的發展,共布設10段傳感光纖,各段傳感光纖與梁橫截面相交18.5°,每段長度為315 mm,各段之間采用2.0 m冗余光纖連接。冗余光纖在測試過程中需保持穩定,擺動等機械運動會影響傳感段的測試應變值。

2.2 初始開裂識別試驗結果分析

本文采用瑞士OMNISENS公司的DITEST STA-R型BOTDA傳感器,設置為空間分辨率0.5 m,采樣點間隔0.1 m,共分15個荷載等級進行加載?；炷脸跏奸_裂發生在荷載等級為20 kN時,此時1號裂縫剛好穿越⑧號傳感光纖。

由圖4可知,⑧號光纖處應變相比其余各段傳感光纖急劇增加,裂縫觀測儀的跟蹤監測表明,在⑧號光纖和梁底交界處出現了1號裂縫。同時還觀察到2、3號裂縫,但未穿越⑨號和⑩號傳感光纖,因此在測試曲線中僅發現一個突變峰。

圖4 荷載等級20 kN時光纖應變測試曲線

圖5為荷載等級達92 kN時光纖的測試應變曲線,由圖中可知各段傳感光纖均已感應到裂縫信息,同時各段光纖的應變值大小不同,將各段傳感光纖的最大值繪制如圖6所示。

圖5 荷載等級92 kN時光纖應變測試曲線

圖6 各光纖傳感器應變全過程曲線

曲線表明,各段光纖傳感器在不同的荷載等級時出現跳躍,②號光纖中穿越的5號裂縫寬度最大,而⑤號光纖無任何裂縫穿越,上述現象和裂縫觀測儀記錄的現象一致,將各裂縫形成時的荷載等級,及裂縫穿越傳感光纖前后的光纖應變統計如表2所示。

表2 梁Ⅰ裂縫寬度及光纖測試應變記錄表

通過對比相鄰2個荷載等級下的光纖應變變化,其突變值較大說明該段光纖處存在明顯的應變改變,由前面分析可知純彎曲段內斜向布置的光纖不受梁體應變影響,因此該變化時刻可認定為裂縫高度達到該位置的時刻。結果說明,上述布置方式可監測到混凝土的初始開裂時刻。

3 混凝土裂縫寬度的跟蹤監測試驗研究

3.1 裂縫寬度監測光纖傳感器布置

將光纖布設在梁Ⅱ的底面,梁Ⅱ為鋼-混組合結構,鋼梁為矩形截面,混凝土等級為C50,混凝土翼緣高70 mm,寬450 mm,翼緣為本文提供了足夠寬度的光纖布設空間,試驗布置及光纖在梁底的布設如圖7所示。光纖傳感器采用點式進行粘結,光纖標距為300 mm,梁底布設了5個電阻應變片。

圖7 裂縫寬度跟蹤監測試驗布置圖

加載過程從0 kN至240 kN分級加載,最大荷載240 kN為預估極限荷載的70%左右。本試驗重點考察光纖在裂縫監測中的應用,因此詳細記錄了試驗梁的裂縫開展過程。

3.2 結果分析

在每級荷載下,記錄裂縫的發展情況,使用裂縫觀測儀記錄每條裂縫寬度的發展情況。加載過程后的裂縫發展過程如圖8所示。

圖8 光纖布設區域梁底裂縫開展圖

試驗過程中裂縫并非完全對稱開展,而是隨著荷載等級從梁一側逐級擴展另一側,穿越光纖組的裂縫編號分別為2、5、8,三條裂縫的具體信息如表3所示。

表3 梁Ⅱ裂縫寬度詳細記錄表

在梁底布設的5只應變片在荷載等級達到140 kN時,因裂縫穿過使測試值急劇增加,無法表征混凝土應變大小。5只應變片記錄的開裂前最大混凝土應變的平均值為257 με,以此作為本梁的混凝土極限拉應變值(εmax)。由裂縫的發展過程可知,荷載80kN為混凝土的初裂荷載,荷載達到200 kN以后裂縫已處于穩定發展階段不再出現新的裂縫,因此以80 kN和200 kN作為裂縫開展第2階段和第3階段的起始荷載。依據2.3節的理論分析,將裂縫寬度換算成光纖測試應變,如表4所示。

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

表4 梁Ⅱ裂縫引起光纖應變推算值

圖9 光纖實測值與推算值對比圖

由圖9可知,由裂縫寬度和理論分析得出的光纖應變推算值和光纖實測值之間存在一定的差距,其中實測光纖值隨著荷載的增加而平滑增加,而光纖應變推算值在200 kN前存在一定波動。該波動主要是因為梁底開裂時,周圍混凝土應力釋放。本文假設梁底開裂時,裂縫周圍混凝土依然處于極限拉應變狀態,該假設會造成推算處的光纖應變偏大,因此出現上圖中的波動現象。

本文在試驗過程中粘貼了80 mm標距應變片,獲取了混凝土極限拉應變,但是裂縫開展并貫穿應變片后,應變片失效退出工作,本文沒有記錄裂縫開展引起的應力釋放全過程。后續研究中,可選擇小標距(5.0 mm)的電阻應變片或者裸光纖光柵FBG傳感器(柵格長度約為5.0 mm)沿著應力方向布置,記錄混凝土應力釋放過程,作為BOTDA數據的修正,需要注意的是選擇傳感器粘貼部位時應避開混凝土粗骨料(石子),因為受力過程中粗骨料不存在應變。

4 結論與展望

本文從理論研究出發分析了鋼筋混凝土結構裂縫開展過程中的應變變化,提出了受彎裂縫的梁側斜向布置和梁底斜交裂縫組的監測方法,通過試驗驗證了上述方法的有效性,得出如下結論:①混凝土開裂過程存在三階段過程,通過合理的光纖布設方式可實現初始開裂識別,裂縫寬度跟蹤監測;②鋼筋混凝土構件的受彎裂縫是垂直于梁的長度方向,沿著梁高開展的。本文采用的梁側斜向光纖布設方式不受混凝土受彎應變的影響,全面粘結方式增加了傳感器的敏感性。試驗表明,上述布設方式可準確的撲捉到裂縫的開展過程;③依據斜交光纖組的測試應變可推算出穿過光纖的裂縫寬度,裂縫寬度的增加和光纖應變間存在較好的對應關系。受限于儀器的測試精度,換算成裂縫寬度則存在0.04 mm測試誤差,但本文提出的光纖布設方式對大裂縫的監測精度較高。

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0.2 m。如采用上述空間分辨率的解調儀將大幅提高測試精度,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構裂縫監測,如舟山跨海大橋的拉索錨室,常年處于高濕度狀態,傳統傳感器無法正常工作,后期將開展工程應用。

[1] GB 50010—2010,混凝土結構設計規范[S]. 北京:中國建筑工業出版社,2010.

[2]陳肇元,崔京浩,朱金銓,等. 鋼筋混凝土裂縫機理與控制措施[J]. 工程力學,2006(S1):86-107.

[3]姚謙峰. 土木工程結構試驗[M]. 北京:中國建筑工業出版社,2013.

[4]Leung Christopher K Y,Elvin N,Olson N,et al. A Novel Distributed Optical Crack Sensor for Concrete Structures[J]. Engineering Fracture Mechanics,2000,65:133-148.

[5]Wan Kai-tai,Leung Christopher K Y. Fiber Optic Sensor for the Monitoring of Mixed Mode Cracks in Structures[J]. Sensors and Actuators,2007,135:370-380.

[6]陳江,劉浩吾. 分布式光纖裂縫檢測的有限元分析及試驗[J]. 力學學報,2009,41(4):542-548.

[7]唐天國,陳春華,劉浩吾. 分布式光纖傳感用于大壩基座裂縫監測[J]. 傳感技術學報,2007,20(10):2357-2360

[8]孫寶臣,徐華,李劍芝,等. 基于光纖網絡的全分布裂縫檢測技術研究[J]. 傳感技術學報,2007,20(7):1672-1675.

[9]毛江鴻,何勇,金偉良. 基于分布式傳感光纖的隧道二次襯砌全壽命應力監測方法[J]. 中國公路學報,2011,24(2):77-82.

[10]劉杰,施斌,張丹,等. 基于BOTDR的基坑變形分布式監測實驗研究[J]. 巖石力學,2006,27(7):1224-1228.

[11]Lu Fei,Feng Maria Q,Gua Xinyu,et al. Field Experiment on Monitoring of Cracks in Highway Asphalt Overlay[C]//Proc of SPIE Vol. 7294,2009

[12]錢振東,韓光義,黃衛,等. 基于BOTDA的鋼橋面鋪裝裂縫疲勞擴展研究[J]. 土木工程學報,2009,42(10):132-136.

[13]盧毅,施斌,席均,等. 基于BOTDR的地裂縫分布式光纖監測技術研究[J]. 工程地質學報,2014,22(1):8-13.

[14]何勇,姜帥,毛江鴻,等. 結構裂縫的分布式光纖監測方法及試驗研究[J]. 土木建筑與環境工程,2012,34(1):1-6.

[15]Kwon I B,Kim C Y,Choi M Y. Distributed Strain and Temperature Measurement of a Beam Using Fiber Optical BOTDA Sensor[J]. Proc of SPIE,2003,5057:486-496.

[16]Bao Xiaoyi,Demerchant M,Brown A,et al. Tensile and Compressive Strain Measurement in the Lab and Field with the Distributed Brillouin Scattering Sensor[J]. J Lightwave Technol,2001,19(11):698-704.

毛江鴻(1985-),男,博士,講師,主要研究方向為分布式光纖傳感技術在結構健康監測中的應用,jhmao@nit.zju.edu.cn;

崔磊(1982-),男,博士,講師,主要研究方向為結構損傷識別及其在土木工程中的應用,lcui@zju.edu.cn;

金偉良(1961-),男,教授,博士生導師,浙江大學寧波理工學院院長,學術方向為結構可靠度及耐久性。

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

項目來源:國家自然科學基金項目(51408544,51208459);浙江省自然科學基金項目(LQ14E080007);寧波市自然科學基金項目(2013A610191);寧波市科技創新團隊項目(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