装配式地铁车站节点试验混凝土裂缝监测与识别的研究

杨雨冰，卢明健，刘超

(1.华南农业大学 水利与土木工程学院，广东 广州 510642；2.广州大学 土木工程学院，广东 广州 510006）

地铁车站一般为2~3层的地下钢筋混凝土结构，混凝土开裂势必引起地铁站点的渗漏问题。于连山等[1]统计了11个已建地铁车站工程裂缝的分布特征，总结了结构裂缝的主要表现形式。何广[2]采用分布式测温光缆对软土地区轨道交通车站主体结构开裂温度效应开展了研究。以上研究都是主要关注施工期混凝土裂缝的特征、形成原因和控制方法。然而，在漫长的运营期中，也有必要对混凝土结构裂缝进行监测，以便及时发现危险部位及其程度，并对结构损伤进行评估。近10年来，因具有高精度、耐久、易于实现自动化等优点，分布式光纤技术被大量应用于混凝土结构的裂缝监测中[3-6]，其中一般采用的是基于布里渊光频域分析(BOFDA)、布里渊光时域分析(BOTDA)、布里渊光时域反射计(BOTDR)等的分布式光纤技术。其中BOFDA测试方法的优势主要在于其空间分辨率较高，而BOTDR以及BOTDA测试则均因其测量距离长以及空间分辨率高的优点倍受青睐，但是基于布里渊散射的测试方法的缺点也相对明显，其测试时间长、测试系统较复杂，对分布式光纤系统布设的精细度要求高。相比于布里渊散射的测试方法，基于瑞利散射的光学频域反射计(OFDR)在克服了前者缺陷的同时能保证高精度的测量，但OFDR测试技术因其测量距离较短而适合用于小型构件的监测分析。由于具有高空间分辨率应变测量的优势，基于光学频域反射计(OFDR)的分布式光纤技术在裂缝监测中逐渐得到了应用[7-12]。例如，吴静红等[9-11]通过开展梁模型试验研究，认为采用OFDR技术得到的裂缝定位结果和对裂缝发展的监测结果更加准确；LIU等[12]采用基于OFDR技术的分布式光纤系统对装配式地铁车站节点单调加载试验中的混凝土支撑开裂过程进行了监测。本文以某装配式地铁车站的地下连续墙-腰梁-支撑节点试验为背景[13-15]，将基于OFDR技术的分布式光纤测试系统用于低周循环加载情况下混凝土裂缝的识别和精准定位，并与单调加载情况下光纤应变结果的进行对比，研究不同加载条件下分布式光纤应变曲线的特征以及裂缝识别和定位性能的差异。

1 试验概况

1.1 试验装置以及加载方式

为探究某新型装配地铁车站地下连续墙-腰梁-支撑节点的抗震性能，开展了节点的低周循环加载试验。试验构件如图1所示，其中地下连续墙的截面尺寸为4.0 m×1.2 m，长4.5 m；腰梁的截面尺寸0.8 m×1.0 m，长4.5 m；支撑的截面尺寸0.7 m×1.6 m，长度1.0 m。

图1 试验构件尺寸Fig.1 Configuration of test specimen

试验装置如图2所示。为实现循环加载，在支撑加载点的上、下表面分别设置液压千斤顶，能施加的最大荷载为3 000 kN。加载位置为支撑右端部，加载中心距离端部为0.15 m。图3为荷载施加的步骤以及等级情况。

图2 低周循环加载试验装置图Fig.2 Test setup for the low cycle loding

图3 低周循环加载试验中的荷载施加步骤及等级Fig.3 Load application steps and grades in low-cycle cyclic loading test

1.2 分布式光纤传感系统布设

本试验共在支撑内部钢筋表面部署了11根光纤，总体呈“C”型分布，以便于形成一个较为敏感的传感系统，用于监测支撑顶面、底面以及侧面的裂缝发生以及发展，如图4(a)所示。光纤的连接方式为：从光纤A开始，按字母顺序采用头尾相连的方式熔接，到光纤K结束，如图4(b)和4(c)所示。为保护过渡区以外的光纤，避免光纤在混凝土浇捣过程中发生损坏，在光纤外套上了小橡胶管。试验中采用JUNNO公司生产的Semicon OSI-S型OFDR分布式光纤解调仪，其最大测量距离100 m，空间分辨率最大可达1 mm，传感精度为1 με[9-10]。

图4 光纤连接及布置图Fig.4 Connection and distribution of optical fibers

2 试验结果与分析

2.1 荷载-位移曲线

试件加载点处的荷载-位移曲线如图5所示。

图5 试件加载点处荷载-位移曲线Fig.5 Load-displacement curve of test specimen

由图5可知，支撑开裂后仍处于弹性阶段，荷载位移曲线斜率并未明显减小，说明支撑仍有充足的强度储备；随着荷载持续增加，支撑顶面与侧面的裂缝达到0.84 mm，0.44 mm；正向加载时，支撑屈服后刚度开始降低，承载力有所提升，随后达到极限荷载为2 657 kN；负向加载时，支撑屈服后，其刚度和承载力都出现了下降的趋势。

2.1.1 支撑顶面

由图6可知，当正向荷载为280 kN时，支撑顶面内侧出现第1条裂缝C 1；当荷载增大到600 kN，滑移比δ=0.5%时，支撑顶面新增7条裂缝，分别为C2～C8，此时最大裂缝宽度为0.16 mm；当荷载继续增大到1 000 kN，滑移比δ=0.8%时，支撑顶面新增5条裂缝，分别为C9～C13，此时最大裂缝宽度为0.30 mm。在正向加载过程中，支撑顶面的裂缝分布整齐，裂缝宽度大，并沿轴向延伸至加载点附近。

图6 正向加载时的裂缝编号及荷载-位移/裂缝宽度曲线Fig.6 Crack numbering,loding-displacement curves and loading-crack width curve for downward loding

2.1.2 支撑侧面

理论上，试验中的负向加载引起的微应变应与支撑底面的裂缝相对应进行分析，但在加载过程中人为拍摄支撑底面裂缝的行为存在一定风险。由图7(a)可知，支撑侧面裂缝分布较为复杂，因正向和负向加载交替进行而呈“侧八字形”分布。因此，选取支撑侧面下半部分裂缝与负向加载引起的微应变进行分析。

图7 负向加载时的裂缝编号及荷载-位移/裂缝宽度曲线Fig.7 Crack numbering,loding-displacement curves and loading-crack width curves for upward loding

由图7可知，当负向荷载为320 kN时，支撑侧面新增1条裂缝为C 1；当荷载增大到400 kN，滑移δ=0.6%时，支撑侧面新增2条裂缝，分别为C2和C3，此时最大裂缝宽度为0.14 mm；当荷载增加至700 kN，滑移比δ=0.8%时，支撑侧面新增8条裂缝，分别为C4～C11，此时最大裂缝宽度为0.20 mm。

由图6(b)和图7(b)对比可知，正向加载时支撑顶面对应裂缝的宽度大于负向加载时支撑侧面对应裂缝的宽度，且荷载等级越大，差异越明显。此外，与正向加载相比，负向加载引起的滑移比更大。

结合图6和图7，可对支撑的裂缝开展过程做如下总结：1)当滑移比δ小于1.0%时，支撑顶面和侧面出现若干裂缝，裂缝间隔相当，裂缝之间基本无交集；2)当滑移比δ大于1.0%时，裂缝的数量和宽度均急剧上升，裂缝间隔较小，裂缝之间出现多处交集。

3 光纤应变分析与裂缝识别

试验以钢筋屈服点为界限分为力控制阶段和位移控制阶段。由于分布式光纤在钢筋屈服之后所捕捉到的应变数据波动较大，故主要以低周循环加载试验在力控制阶段的试验数据为对象进行分析。

3.1 正向加载工况

图8(a)为滑移比δ=0.5%和0.8%时支撑顶面的裂缝分布图，其中虚线和点线裂缝分别为600 kN，1 000 kN荷载下的新增裂缝；图8(b)和8(c)分别为此时支撑顶面光纤A和C的应变分布图。

以较为平直的裂缝C7为代表，分析光纤应变的裂缝识别性能。图8(a)显示该裂缝距离支撑与腰梁交界面约为0.8 m且与光纤A和C均有交点，图8(b)和8(c)显示光纤A和C在横坐标0.8 m处附近的位置均出现了非常明显的局部尖峰。具体表现为光纤A在横坐标0.72～0.76 m处出现局部尖峰，光纤C在横坐标0.8 m处出现局部尖峰，2处光纤捕捉到的尖峰位置有一定的偏差。

通过对图8的分析，可得到如下结论：1)在低周循环加载试验中，随着加载等级的增加，所有光纤的应变曲线的局部尖峰数量均急剧增加；2)光纤应变曲线的局部尖峰位置与支撑顶面出现的裂缝及其位置基本吻合，因此可认为裂缝发生及发展的位置可以通过光纤应变曲线的局部尖峰识别；3)布设于不同位置光纤对于同一条裂缝的定位有一定差别，说明通过对分布式光纤应变曲线的分析不仅能识别裂缝，还能判断裂缝在的具体形状(主要指水平方向)。这与其他学者在单调加载试验中得到的结论一致[9-12]。

此外，由图8(c)可知，当滑移比δ=0.5%时光纤C的应变曲线出现了局部尖峰P1，预测其为支撑内部微裂缝；当滑移比δ=0.8%时，光纤C在同一位置的局部尖峰的峰值更大，可对应支撑顶部表面裂缝C10。由此可认为该分布式光纤传感系统可捕捉到钢筋混凝土构件裂缝的发展过程。

图8 正向加载时的裂缝分布及光纤应变曲线Fig.8 Crack distribution and fiber strain profiles for downward loding

3.2 负向加载工况

图9(a)为滑移比δ=0.6%和0.8%时支撑侧面的裂缝分布图，其中虚线和点线裂缝分别为400 kN，700 kN荷载下的新增裂缝；图9(b)和9(c)分别为此时光纤H和F的应变分布图，其中光纤H位于支撑底部，光纤F位于支撑侧面。

图9 负向加载时的裂缝分布及光纤应变图Fig.9 Crack distribution and fiber strain profiles for upward loding

以非平直的裂缝C11为代表进行分析，它与光纤H和F均有交点，在支撑底部以上10 cm的位置存在一个约为45°的右转折，如图9(a)所示。C11接近支撑底面10 cm部分较为平直，超过支撑底面10 cm部分形状近似于斜直线，其横坐标位于1.10～1.20 m之间。如图9(b)和9(c)所示，光纤H和F在横坐标1.10～1.20 m之间均出现了非常明显的局部尖峰，比如光纤H在横坐标1.10 m处出现局部尖峰，光纤F在横坐标1.20 m处出现局部尖峰。

光纤H到F在相应位置的横坐标减小，即光纤应变说明裂缝C1在垂直方向上向右偏移，这与裂缝C11实际上的裂缝形状完全吻合。这同样表明分布式光纤传感可以判断裂缝的具体形状(主要指垂直方向)。

需要说明的是，由于光纤布设的位置大部分位于支撑顶部以及底部的钢筋表面，光纤与部分位于支撑中间的裂缝缺少交集，因此难以监测到出现在支撑侧面中间的裂缝，如C7，C8和C9。

4 不同加载方式下的光纤应变对比

LIU等[12]对该节点试验在单调加载所得的光纤应变数据进行了分析，现将本次试验所得结果与单调加载试验所测得的光纤应变数据进行对比。在单调加载试验中，其加载过程见文献[12]。

4.1 荷载-位移曲线对比

2次试验的荷载-位移曲线对比如图10所示。由图可知，在2次加载中试件均在约2 100 kN时达到屈服，随后均在2 600 kN左右达到极限承载力。然而，在低周循环加载试验中，试件达到极限承载力后，其崩坏速度远快于单调加载时。

图10 2次试验的荷载-位移曲线对比Fig.10 Comparison of load-displacment curves

4.2 裂缝宽度对比

将低周循环加载中正向加载时的最大裂缝宽度与同一荷载等级下单调荷载时的进行对比，如图11所示。

图11 同级荷载下的最大裂缝宽度对比汇总图Fig.11 Comparison of maximum crack width

由图可知，在加载方向相同且加载级数相等的情况下，低周循环加载试验在前5级荷载下造成的最大裂缝宽度均更小，在第6级荷载造成的最大裂缝宽度相等。

4.3 光纤应变曲线对比

为对比分布式光纤传感系统在2次试验中所测得的应变分布情况的区别，现将2次试验中位置相同或者对称的光纤的应变数据进行对比。单调加载试验中的光纤布置图见参考文献[12]。

将低周循环加载试验中光纤A的应变数据与单调加载试验中的光纤B的应变数据进行对比，后文简称“低周A”和“单调B”，如图12所示。

由图12可知，在600 kN和1 000 kN荷载水平下，2根光纤测得的应变分布曲线及其发展趋势均高度吻合。随着荷载的增大，微应变局部尖峰增多。与单调加载试验相比，在同一荷载水平下，在低周循环加载试验中光纤应变曲线的局部尖峰更多、更密集但峰值更小，这增加了裂缝识别以及形状判断的难度；同时这也表明低周循环加载造成的裂缝更多，但宽度更小，与现场观察到的现象一致。

图12 低周A和单调B的光纤应变分布图Fig.12 Strain profiles of fibers on rebar A in low cycle loding and rebar B in monotonic loading

综上所述，与低周循环加载试验相比，单调加载中的光纤应变曲线局部尖峰更少、峰值更大，这更易于裂缝的识别和精准定位；在低周循环加载与单调加载2次试验中，位于支撑顶部中间的光纤应变曲线及其发展趋势极为相似，可认为混凝土在该位置的受损程度相似。

5 结论

1)在低周循环加载试验中，通过光纤应变曲线的局部尖峰仍然可以识别和定位混凝土裂缝的产生及发展，这与单调加载试验结果一致。

2)基于OFDR分布式光纤技术，可以通过合理布置的多条光纤实现对同一条裂缝的精准定位，并判断裂缝在混凝土表面上的走向和在结构内部的发展过程。

3)与低周循环加载试验相比，单调加载中的光纤应变曲线局部尖峰更少、峰值更大，更易于裂缝的识别和精准定位，这同时表明在单调加载实验中试件出现的裂缝数量更少，但裂缝宽度更大。