基于分布式光纤传感的混凝土裂缝识别与监测试验研究*

毛江鸿,崔 磊*,金伟良,,许 晨,何 勇,任旭初,杨 帆

(1.浙江大学宁波理工学院,浙江 宁波 315100;2.浙江大学结构工程研究所,杭州 3100583.浙江舟山跨海大桥有限公司,浙江 宁波 315040)



基于分布式光纤传感的混凝土裂缝识别与监测试验研究*

毛江鸿1,崔 磊1*,金伟良1,2,许 晨2,何 勇2,任旭初3,杨 帆3

(1.浙江大学宁波理工学院,浙江 宁波 315100;2.浙江大学结构工程研究所,杭州 3100583.浙江舟山跨海大桥有限公司,浙江 宁波 315040)

钢筋混凝土结构的裂缝宽度超过规范限值后会引起渗水、钢筋锈蚀等问题,破坏混凝土结构的整体性和安全性。结构裂缝监测是评估结构安全性的重要依据之一,分布式光纤裂缝监测技术(BOTDA/R)可有效避免点式检测空间不连续造成的漏检现象。本文根据钢筋混凝土结构裂缝形成机理和前期研究提出的斜交光纤组裂缝监测方法,对混凝土裂缝光纤监测进行了参数敏感性分析。分析结果表明采用斜交光纤组可跟踪监测宽度大于0.04mm以上的裂缝发生及开展过程。依据分析结果,本文改进了光纤布设方式监测混凝土微裂缝,实现了微裂缝的发生及开裂路径的监测。本文通过钢筋混凝土梁的静载试验,分别验证了梁侧全面粘结光纤的微裂缝识别和梁底斜交光纤组的裂缝宽度跟踪监测的有效性。

混凝土结构;裂缝监测;裂缝扩展;光纤传感;BOTDA

土木工程领域的大多数钢筋混凝土结构是带裂缝工作,世界各国对混凝土都有一个允许裂缝宽度的限值,我国混凝土结构设计规范规定,依据不同的环境类别设置的允许裂缝宽度范围为0.2 mm～0.4 mm[1]。裂缝超过允许裂缝宽度后会引起渗水、钢筋锈蚀等问题,破坏混凝土结构的整体性和安全性。国内外工程界和科学界也提出了许多裂缝控制措施[2],针对性地控制温度收缩、大体积浇筑等不利条件引起的开裂。如果能通过技术手段识别和跟踪监测混凝土结构裂缝,可为工程结构的运营管理提供有效的数据支持。

目前,常用的裂缝检测方法包括传统裂缝观测仪和裂纹扩展片以及新型的光弹贴片和声发射技术等,均能准确获取裂缝开展过程[3]。上述技术多依赖于技术人员定期巡检,存在人为误差、高空作业等不足,同时裂缝具有显著的时空随机性特点,难以实现结构裂缝的全面、长期、实时自动监测。光纤传感技术,特别是分布式光纤传感技术,包括拉曼散射(OTDR)和布里渊光时域反射(BOTDA/R)可有效避免点式检测过程空间不连续造成的漏检现象。Leung[4-5]提出基于OTDR的光纤微弯引起光强损耗监测裂缝开展,并对拉伸和剪切裂缝进行了理论研究,刘浩吾等人[6-7]进行了该方面试验研究并为工程应用开展基础研究;孙宝臣[8]利用光纤宏弯原理制作了新型光纤裂缝传感器,并研究了其传感特性。OTDR监测裂缝是利用光损和裂缝存在关联性开展的,存在的主要问题是光纤沿线某处的光损会引起动态范围降低,从而造成线路失效。

布里渊光时域分析计(BOTDA)作为近十几年引入国内的分布式光纤传感技术,主要针对大型、长距离的基础工程进行健康监测,已在隧道、基坑等工程应变监测中应用[9-10],将其应用于结构裂缝监测相对较少。Lu[11]等人将BOTDA裂缝监测技术应用于某沥青铺装层的裂缝监测中;钱振东[12]等人开展了基于BOTDA的桥面板疲劳裂缝监测研究,利用光纤应变建立疲劳裂缝扩展模型。施斌[13]等人近期开展了基于BOTDR的地裂缝监测,可识别0.1 mm的地裂缝宽度变化。

上述文献未开展光纤应变和裂缝宽度及走向的定量分析,作者在文献[14]中提出了BOTDA技术结合斜交光纤组的裂缝监测方法,通过理论分析建立了光纤应变和裂缝宽度及走向的数值关系,并标定了300 mm标距的光纤裂缝传感器实测应变和裂缝宽度及夹角的定量关系。本文在前文研究基础上,结合钢筋混凝土裂缝发生及发展的特点,采用梁侧全面粘贴和斜交裂缝组的方式对裂缝发展进行了识别和宽度跟踪监测试验研究。

1 基于BOTDA的混凝土初裂识别与裂宽监测原理

1.1 分布光纤传感技术(BOTDA)工作原理

BOTDA利用光纤的布里渊散射光的频移量与光纤应变和温度变化之间的线性关系,通过测量布里渊散射频移量vB获取光纤沿线温度和应变的分布信息。光纤应变量、温度变化量与布里渊频率漂移量之间的关系如式(1)所示[15]:

(1)

式中,vB(0)为初始应变、初始温度时布里渊频率频移量,vB(ε,T)为在应变ε、温度T时布里渊频率漂移量,dvB/dT温度比例系数,dvB/dε为应变比例系数,T-T0为光纤温度差;ε为光纤应变变化量。分布式光纤应变传感技术可对结构应变进行分布式检测,但由于入射光存在脉冲宽度限制使得该技术需考虑空间分辨率影响。采样点的应变数据实际上是一段光纤内应变的综合反映[16]:

(2)

式中,dz即为空间分辨率大小,W为入射脉冲光宽度,Vg为光波在光纤中沿轴向传播的速度。

1.2 混凝土裂缝的分布式光纤监测原理

混凝土裂缝的开展过程主要经历以下3个阶段:第1阶段为裂缝形成阶段,混凝土应变逐渐增加至混凝土极限拉应变;第2阶段为裂缝发展阶段:混凝土首先出现1条主裂缝(w1),裂缝周边混凝土应力释放但仍然处于受拉状态,随着荷载持续增加,则将相继出现多条裂缝(w1至wn),裂缝间混凝土应力逐渐释放;第3阶段为裂缝稳定开展阶段,混凝土完全退出工作,形成多裂缝分布。采用分布式光纤监测裂缝的光纤布置如图1所示。

图1 BOTDA监测钢筋混凝土开裂原理

因此,对应第1阶段的光纤理论应变仅为混凝土应变:

εf=ε1

(3)

其中,εf为光纤测试应变,ε1为混凝土应变值,其值小于混凝土极限拉应变。

第2阶段:光纤理论应变由未裂缝混凝土应变和裂缝宽度变化引起,如式(4)所示:

(4)

其中,L′为标距为L的光纤受拉后的长度,ε1…εn为各段混凝土的应变值,d1…dn为各未开裂段混凝土长度,w1…wn为各条裂缝宽度值。

第3阶段:裂缝稳定发展阶段,不再出现新裂缝,混凝土退出工作,光纤理论应变仅由裂缝宽度变化引起:

(5)

1.3 混凝土裂缝光纤监测的参数敏感性分析

作者在文献[14]中提出了基于斜交裂缝组的裂缝光纤检测技术,如图2所示。

图2 斜交光纤组测试裂缝原理图

当裂缝穿过布设成一定角度的两条传感光纤后,裂缝宽度的变化将使每根光纤均产生长度变化,其几何关系如式(6)所示:

(6)

(7)

一般情况下,混凝土极限抗拉应变εmax分布在0.005%～0.027%,可通过混凝土标准强度试验获取。

裂缝开展第1阶段:长度为300 mm标距的光纤理论应变为50 με～270 με,通过式(7)的转换系数可得光纤实测应变为7 με～37.8 με。由BOTDA测试技术可知,其自身存在±20 με的测试误差,采用300 mm标距的光纤传感器测试时,光纤所测应变将淹没在误差中,因此本文后续试验研究设计了新型光纤布设方式。

裂缝开展第2阶段:裂缝宽度较小间距较大,此阶段假设未开裂的各段混凝土接近极限拉应变。

ε1≈ε2≈…≈εn≈εmax

(8)

d1+d2+…+dn=L

(9)

(10)

取上式中εmax介于50 με至270 με,传感器标距300 mm,裂缝宽度从0.02 mm模拟至0.20 mm,则光纤预期所测试的应变如表1所示。

表1 光纤应变与裂缝宽度理论计算对应表

由表1可知,裂缝宽度较小(w<0.10 mm)时,光纤传感器所测试应变值较小,由参数敏感性分析可知,本文提出的方法可检测规范[1]规定的最大裂缝宽度(0.2 mm)。同时,BOTDA仪器的测试误差为±20 με,对应到裂缝宽度则表示存在约0.04 mm的测试误差。

裂缝开展第3阶段:裂缝基本已经形成,混凝土逐渐退出工作,裂缝出现迅速扩展,裂缝宽度增加明显,光纤所测应变数据能表征裂缝宽度增加的过程。

根据参数敏感性分析的结果,本文开展了2种光纤裂缝测试方法:其中,钢筋混凝土梁Ⅰ中将光纤布设在梁侧,采用全面粘结方式,用于监测钢筋混凝土梁的初始开裂;梁Ⅱ的传感光纤布设在梁底,采用斜交光纤组的方式监测裂缝开展过程。

2 混凝土初始开裂识别试验研究

2.1 初始开裂监测光纤传感器的布设

钢筋混凝土梁尺寸2600 mm×150 mm×300 mm,混凝土强度C30,各配置两根HRB335受拉主筋。将900 μm紧套光纤布设在梁体侧面,由AB胶进行全面粘结。采用3点加载的方式施加荷载,在跨中形成1.0 m的纯弯曲段,此区间混凝土仅存在轴向拉应变,不存在剪切应变。将光纤斜向布设在该区域时,仅有裂缝穿过才会使光纤产生拉应变,纯弯曲段光纤布设及试验布置如图3所示。

图3 混凝土初始裂缝识别试验布置图

将传感光纤以全面粘结的方式布设在梁侧,可识别裂缝沿着梁高方向的发展,共布设10段传感光纤,各段传感光纤与梁横截面相交18.5°,每段长度为315 mm,各段之间采用2.0 m冗余光纤连接。冗余光纤在测试过程中需保持稳定,摆动等机械运动会影响传感段的测试应变值。

2.2 初始开裂识别试验结果分析

本文采用瑞士OMNISENS公司的DITEST STA-R型BOTDA传感器,设置为空间分辨率0.5 m,采样点间隔0.1 m,共分15个荷载等级进行加载。混凝土初始开裂发生在荷载等级为20 kN时,此时1号裂缝刚好穿越⑧号传感光纤。

由图4可知,⑧号光纤处应变相比其余各段传感光纤急剧增加,裂缝观测仪的跟踪监测表明,在⑧号光纤和梁底交界处出现了1号裂缝。同时还观察到2、3号裂缝,但未穿越⑨号和⑩号传感光纤,因此在测试曲线中仅发现一个突变峰。

图4 荷载等级20 kN时光纤应变测试曲线

图5为荷载等级达92 kN时光纤的测试应变曲线,由图中可知各段传感光纤均已感应到裂缝信息,同时各段光纤的应变值大小不同,将各段传感光纤的最大值绘制如图6所示。

图5 荷载等级92 kN时光纤应变测试曲线

图6 各光纤传感器应变全过程曲线

曲线表明,各段光纤传感器在不同的荷载等级时出现跳跃,②号光纤中穿越的5号裂缝宽度最大,而⑤号光纤无任何裂缝穿越,上述现象和裂缝观测仪记录的现象一致,将各裂缝形成时的荷载等级,及裂缝穿越传感光纤前后的光纤应变统计如表2所示。

表2 梁Ⅰ裂缝宽度及光纤测试应变记录表

通过对比相邻2个荷载等级下的光纤应变变化,其突变值较大说明该段光纤处存在明显的应变改变,由前面分析可知纯弯曲段内斜向布置的光纤不受梁体应变影响,因此该变化时刻可认定为裂缝高度达到该位置的时刻。结果说明,上述布置方式可监测到混凝土的初始开裂时刻。

3 混凝土裂缝宽度的跟踪监测试验研究

3.1 裂缝宽度监测光纤传感器布置

将光纤布设在梁Ⅱ的底面,梁Ⅱ为钢-混组合结构,钢梁为矩形截面,混凝土等级为C50,混凝土翼缘高70 mm,宽450 mm,翼缘为本文提供了足够宽度的光纤布设空间,试验布置及光纤在梁底的布设如图7所示。光纤传感器采用点式进行粘结,光纤标距为300 mm,梁底布设了5个电阻应变片。

图7 裂缝宽度跟踪监测试验布置图

加载过程从0 kN至240 kN分级加载,最大荷载240 kN为预估极限荷载的70%左右。本试验重点考察光纤在裂缝监测中的应用,因此详细记录了试验梁的裂缝开展过程。

3.2 结果分析

在每级荷载下,记录裂缝的发展情况,使用裂缝观测仪记录每条裂缝宽度的发展情况。加载过程后的裂缝发展过程如图8所示。

图8 光纤布设区域梁底裂缝开展图

试验过程中裂缝并非完全对称开展,而是随着荷载等级从梁一侧逐级扩展另一侧,穿越光纤组的裂缝编号分别为2、5、8,三条裂缝的具体信息如表3所示。

表3 梁Ⅱ裂缝宽度详细记录表

在梁底布设的5只应变片在荷载等级达到140 kN时,因裂缝穿过使测试值急剧增加,无法表征混凝土应变大小。5只应变片记录的开裂前最大混凝土应变的平均值为257 με,以此作为本梁的混凝土极限拉应变值(εmax)。由裂缝的发展过程可知,荷载80kN为混凝土的初裂荷载,荷载达到200 kN以后裂缝已处于稳定发展阶段不再出现新的裂缝,因此以80 kN和200 kN作为裂缝开展第2阶段和第3阶段的起始荷载。依据2.3节的理论分析,将裂缝宽度换算成光纤测试应变,如表4所示。

由于荷载等级大于260 kN以后,梁支座处出现较大的裂缝,鉴于安全考虑未采用裂缝观测仪进行裂缝观测。由上表可知,将300 mm光纤传感器安装在梁底进行裂缝监测时,光纤(④、⑤号光纤)和裂缝之间的夹角较小,光纤测试应变推算值非常小,受测试精度影响难以识别裂缝宽度。光纤传感器测试应变值和光纤测试应变推算值的对比曲线如图9所示。

表4 梁Ⅱ裂缝引起光纤应变推算值

图9 光纤实测值与推算值对比图

由图9可知,由裂缝宽度和理论分析得出的光纤应变推算值和光纤实测值之间存在一定的差距,其中实测光纤值随着荷载的增加而平滑增加,而光纤应变推算值在200 kN前存在一定波动。该波动主要是因为梁底开裂时,周围混凝土应力释放。本文假设梁底开裂时,裂缝周围混凝土依然处于极限拉应变状态,该假设会造成推算处的光纤应变偏大,因此出现上图中的波动现象。

本文在试验过程中粘贴了80 mm标距应变片,获取了混凝土极限拉应变,但是裂缝开展并贯穿应变片后,应变片失效退出工作,本文没有记录裂缝开展引起的应力释放全过程。后续研究中,可选择小标距(5.0 mm)的电阻应变片或者裸光纤光栅FBG传感器(栅格长度约为5.0 mm)沿着应力方向布置,记录混凝土应力释放过程,作为BOTDA数据的修正,需要注意的是选择传感器粘贴部位时应避开混凝土粗骨料(石子),因为受力过程中粗骨料不存在应变。

4 结论与展望

本文从理论研究出发分析了钢筋混凝土结构裂缝开展过程中的应变变化,提出了受弯裂缝的梁侧斜向布置和梁底斜交裂缝组的监测方法,通过试验验证了上述方法的有效性,得出如下结论:①混凝土开裂过程存在三阶段过程,通过合理的光纤布设方式可实现初始开裂识别,裂缝宽度跟踪监测;②钢筋混凝土构件的受弯裂缝是垂直于梁的长度方向,沿着梁高开展的。本文采用的梁侧斜向光纤布设方式不受混凝土受弯应变的影响,全面粘结方式增加了传感器的敏感性。试验表明,上述布设方式可准确的扑捉到裂缝的开展过程;③依据斜交光纤组的测试应变可推算出穿过光纤的裂缝宽度,裂缝宽度的增加和光纤应变间存在较好的对应关系。受限于仪器的测试精度,换算成裂缝宽度则存在0.04 mm测试误差,但本文提出的光纤布设方式对大裂缝的监测精度较高。

本文采用的BOTDA的最小空间分辨率为0.5 m,目前最小空间分辨率可达0.2 m。如采用上述空间分辨率的解调仪将大幅提高测试精度,精确的估算裂缝宽度。本文研究成果特别适用于大体积浇筑的混凝土结构裂缝监测,如舟山跨海大桥的拉索锚室,常年处于高湿度状态,传统传感器无法正常工作,后期将开展工程应用。

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毛江鸿(1985-),男,博士,讲师,主要研究方向为分布式光纤传感技术在结构健康监测中的应用,jhmao@nit.zju.edu.cn;

崔磊(1982-),男,博士,讲师,主要研究方向为结构损伤识别及其在土木工程中的应用,lcui@zju.edu.cn;

金伟良(1961-),男,教授,博士生导师,浙江大学宁波理工学院院长,学术方向为结构可靠度及耐久性。

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

项目来源:国家自然科学基金项目(51408544,51208459);浙江省自然科学基金项目(LQ14E080007);宁波市自然科学基金项目(2013A610191);宁波市科技创新团队项目(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