不同方位下光強與縫寬的關系特性研究

戚丹

摘 要：水工建筑物內部裂縫的擴展具有隨機性，為了更好的把握裂縫擴展情況，為裂縫檢測提供依據，文章以實驗的方式研究了不同裂縫方位下，光損耗與裂縫寬度的關系。最終，通過實驗得知隨著裂縫方位的增加，光損耗值減少近1/2。

關鍵詞：塑料光纖裂縫傳感器；不同方位；關系特性

中圖分類號：O433 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）15-0056-02

1 概 述

塑料光纖因其不可低估的優勢，在建筑物健康監測領域的應用不斷受到重視，將塑料光纖和與其相關的智能監測設備用于裂縫監測很有必要，特別是應用于裂縫擴展比較復雜的水利工程領域。

水工建筑物由于其內部結構和承載荷載的復雜性，使得結構中裂縫的產生具有隨機性，實際工程中光纖一般為事先鋪設好的，當擴展方位不可知的裂縫產生時，與光纖的夾角講具有不確定性，會增加裂縫監測的難度。本文將通過實驗的方式，研究不同裂縫-光纖夾角下光損耗與裂縫擴展寬度的關系特性。

2 裂縫擴展機理

水工建筑物中，混凝土壩占據重要位置，是一類具有特殊功能要求的大型混凝土結構。混凝土不同于其他材料，是一種復雜的多相復合脆性材料，主要由砂、石、水泥、水及一些外加劑和摻合料構成按一定比例配合而成，而且混凝土內部不可避免地存在著微裂縫等初始缺陷，以上因素決定了混凝土結構宏觀表現的力學性能的各向異性，以及一定程度上的離散性[1]。在外內因（如荷載、溫度變化）單方面或復合作用下，混凝土結構容易產生裂縫[2]，且裂縫的產生具有隨機性，該隨機性包括裂縫出現位置的隨機性和裂縫擴展方位的隨機性。

在荷載作用下混凝土裂縫的擴展包括三個階段：

①形成，微細裂縫出現在混凝土結構編表面；

②擴展，荷載到達極限抗拉強度的70%便進入緩慢擴展狀態，并維持一段時間；

③斷裂，當最大荷載出現時斷裂區迅速向前擴展，最終導致構件的完全斷裂[3]。

3 基于塑料光裂縫傳感纖器的裂縫擴展方位實驗 研究

本實驗研究基于塑料光纖裂縫傳感器的不同塑料光纖方位下光強與裂縫擴展寬度的關系特性，目的在于更好的了解裂縫擴展規律，為塑料光纖傳感器在裂縫探測方面的實際工程應用提供參考。

3.1 實驗設計

文獻[4]中提到當隨機裂縫出現在壩體表面時，其開展趨勢線一般與結構邊界呈近似垂直或平行關系。由此可知，若要在壩體中布置光纖，光纖與裂縫的夾角范圍為0 °～90 °。因此，本實驗選用裂縫與光纖的夾角為15 °、30 °、45 °、60 °、75 °，將進行五組不同方位角的實驗。塑料光纖與裂縫布置夾角示意圖，如圖1所示。

利用兩塊有機玻璃板的相對移動來模擬裂縫的產生與擴展。

3.2 實驗準備

為本次實驗裝置示意圖，如圖2所示，需要器材包括：塑料光纖光功率計，紅光光源，三菱塑料光纖裸纖及尾纖，兩塊 15 mm×30 mm×5 mm有機玻璃板。

3.3 實驗過程

首先布置裂縫模擬裝置，布設光纖時使光纖與對應方向線段重合。本次實驗涉及多組塑料光纖-裂縫方位角下的實驗，實驗組數較多，實驗過程中，記錄數據時要注意標注清楚讀取數據對應的方位角。實驗后，要及時除去玻璃板上粘附的光纖及膠水，關掉光功率計和光源并用防塵帽蓋住其接頭。

4 實驗結果分析

整理實驗結果，得到不同方位下纖芯直徑為0.5 mm的塑料光纖光損耗與裂縫擴展關系，見表1。

由表1，可得到不同方位下光纖損耗與裂縫擴展寬度的變化關系曲線，如圖3所示。

五組方位角中，方位角為15 °時，較小的裂縫會產生較大的微彎變形，因此光損耗隨著裂縫的擴展最明顯。

但實驗中光纖不能完全緊貼于玻璃板，靠近裂縫部分會出現光纖與玻璃板的分離，反而使得光損耗不那么明顯。因此，鑒于15 °方位角的特殊性，不納入分析范圍。

綜合微彎損耗發生機理及實際操作中的因素，使塑料光纖裂縫傳感器的靈敏性從高到低的方位角依次是30 °、45 °、60 °、75 °。

塑料光纖裂縫傳感器靈敏性隨著方位角的增加而降低，且依次以相同倍數降低，這與文獻[5]中“裂縫相對于光纖的方位角每增加15 °，則光纖的靈敏性降低1/2以上”這一研究成果相似。

由此可知，塑料光纖同于石英光纖，可以用于探測不同方位下的裂縫擴展。

5 總結與展望

利用一個簡易的塑料光纖裂縫傳感器，通過實驗研究了不同方位下塑料光纖光損耗與裂縫擴展關系的關系，得知，隨著裂縫方位的增加，光損耗值減少近1/2。這為后面進一步的研究塑料光纖裂縫傳感器提供了實驗依據。

但限于實驗的多種因素制約，這一結果僅限于實驗條件下，實際工程中不同方位下光損耗與縫寬的關系如何還需進一步研究。

參考文獻：

[1] 許青，鄧濤，董偉，等.基于裂縫擴展準的混凝土重力壩裂縫擴展全過程 數值分析[J].建筑科學與工程學報，2009，（3）.

[2] 徐世烺，趙艷華.混凝土裂縫擴展的斷裂過程準則與解析[J].工程力學，

2008，（2）.

[3] 潘小娃，韓海令，田冉，等.建筑混凝土疲勞裂縫擴展機理淺析[J].硅

谷，2008，（17）.

[4] 蔡永強.大壩隨機裂縫的光纖智能檢測、預警系統設計[J].廣西水利水 電，2006，（1）

[5] 吳永紅，高培偉，蔡海文.大壩裂縫方位對光纖裂縫傳感靈敏性的影響 [J].壓電與聲光，2007，（3）.