基于光纤传感技术的裂缝宽度监测方法

陶江峰

(平顶山龙泽公路工程有限公司 平顶山 467000)

各种混凝土结构在长期使用过程中因本身施工缺陷及外部因素影响易发生开裂。裂缝是结构损伤的集中表现,其产生和扩展直接破坏结构的完整性,引起结构内部应力状态的急剧恶化,严重降低包括路面在内的各种结构的使用年限,我国混凝土结构设计规范规定的裂缝允许宽度为0.2 mm,为了保证结构长期可靠安全运行,需要采取相应的监测手段。目前的混凝土裂缝监测方法包括超声波法[1]、雷达法[2]、红外线法[3]、冲击回波法[4]等,这些监测方式较为可靠,但是都属于点式检测,难以做到全覆盖式监测。目前有许多学者对分布光纤传感器进行了研究和应用[5],发现分布光纤监测技术具有高精度、耐久性、连续性等特点,可以有效避免点式检测方法的空间不连续造成的漏检现象。本文拟开展OFDR分布式光纤技术识别微裂缝的理论与试验研究,主要针对0.3 mm以内的微小裂缝进行逐级研究。通过微裂缝检测试验对分布光纤传感器的封装与布设工艺进行比选,建立基于分布光纤应变曲线的裂缝宽度计算方法。

1 分布式光纤监测裂缝的理论研究

张俊家[6]通过实验发现结构出现裂缝时,在以裂缝为中心左右大约各0.1 m范围内,分布光纤因受到非均匀应力,会在该范围内形成应变峰值。当分布光纤传感器垂直于结构裂缝时,传感光纤将和结构协同变形并产生拉应变,可由OFDR进行实时记录。实际中光纤和裂缝之间存在某一夹角,夹角值为0°～90°之间。裂缝测试原理见图1。

图1 裂缝监测原理图

假设分布光纤传感器与裂缝之间的角度为θ,裂缝宽度为w,应变滑移段为L的传感光纤应变见式(1)。

(1)

式中:L′为滑移段在滑移后的长度,m;w为裂缝宽度,m。

由式(1)可知,当黏贴长度固定时,光纤测试应变由裂缝宽度w及开裂方向θ共同决定。光纤应变在裂缝处最大,将光纤的应变产生变化的一段测量长度称为应变滑移区[7]。裂缝处的光纤应变测试值是裂缝定位和裂缝宽度计算的主要依据,应变滑移区影响到裂缝定位和裂缝宽度计算的积分长度。

张宝祥[8]对分布式光纤裂缝监测基体裂缝时光纤应变分布函数进行研究,模型假设所有材料均为线弹性材料,开裂基体为轴对称结构,裂缝位于对称轴处,中间层只受剪应力不发生轴向变形。

图2为分布光纤测试结构裂缝示意图。

图2 分布光纤测试结构裂缝示意图

假设结构表面真实应变为εm,纤芯应变为εf,在z=0处有一个裂缝宽度w为2δ的裂纹,纤芯线弹性应变值如式(2)所示,式中γ为无量纲的光纤剪切滞后因子,与涂覆层和黏接层的几何参数与材料性能有关。

εf(z)=γC1exp(γz)-γC2exp(-γz)+εm

(2)

对于z>0的情况,C1和C2是可由边界条件确定的常数[9],裂纹宽度小于10-4m时,C1≈0,C2≈-δ,式(2)可以简化为式(3)。

εf(z)≈γδexp(-γz)+εm

(3)

当取最小空间分辨率时,应变测试曲线是由连续的1 mm范围内的纤芯平均应变测试值绘制而成,假设滑移段的长度为Δx,则斜交裂缝宽度w可以通过式(4)对滑移段的OFDR位置-应变曲线积分来确定[10],x=0为裂缝中心位置。

(4)

2 基于OFDR技术不同布设工艺下分布光纤裂缝检测试验

通过试验探究分布光纤对于不同布设工艺、不同角度裂缝下的实测应变值与裂缝宽度的关系。试验内容包含试验装置、布设工艺与裂缝角度对比组设置、裂缝加载、数据处理与分析等部分。

2.1 裂缝检测试验装置

裂缝测试装置有2个移动级为10 μm的电动位移平台,以及400 mm×150 mm的不锈钢方形夹具。初始状态下,不锈钢钢板的两边形成无间隙的平面。在裂缝监测测试过程中,由电子控制箱控制两边钢板的位移与中间裂缝宽度。测试中保证螺栓处于摩擦传力阶段,螺栓滑移阶段或者分布光纤测试失效时终止试验。

电动位移台由电控平移台和控制箱两部分组成。其中电动位移台采用中弘机械MTSE13电控平移台,控制箱采用MCU系列二轴USB/串口通讯同动运动控制器,技术指标见表1。

表1 位移台技术指标(产品型号:MTSE13)

试验装置见图3,夹具使用激光切割刀从中一分为二,布设光纤时,先用角磨机对钢板进行打磨、擦拭,再将钢板组装至位移台上,调整好螺丝高度使两板对齐无高度差后黏贴分布光纤,黏贴监测长度约16 cm。试验件示意图4。

图3 裂缝监测试验装置正视图

图4 试验件示意图(单位:mm)

夹具设计尺寸与电动位移平台匹配。完整的夹具使用12颗钢材304孔径M6深7摩擦型螺栓与两侧电动位移平台固定。

2.2 试验组别设置

本次试验主要设置不同黏贴剂、黏贴宽度、光纤夹角的对比组。本次测试分布光纤的种类为0.9 mm紧护套光纤,胶水品种有快干胶502(氰基丙烯酸酯)、3MDP100结构胶FR(环氧树脂胶水)。

首先在指定位置贴上辅助胶带,再使用带缺口的陶瓷刮板,刮平多余环氧树脂,待其半凝固状态时撕掉辅助胶带,得到指定厚度与宽度的黏贴带。

对比组共设置7个试验组,每组夹具上布设1根光纤,试验组设置见表2,其中裂缝夹角指光纤方向与裂缝法线方向所成角度。

表2 裂缝监测试验组别设置

利用控制箱加载两边位移台,裂缝步为0.01 mm每级位移下分别控制位移,当实际裂缝宽度达到0.3 mm或者分布光纤拉断出现异常时停止试验。

2.3 试验数据与分析

不同组别的分布光纤监测在不同角度、不同裂缝步的数据汇总图见图5。

图5 0.9 mm分布光纤在不同角度下的测试数值

如图5所示,0.9 mm光纤对裂缝识别能力较强,在裂缝0.01 mm宽度时就可以识别到裂缝的存在,应变曲线峰值明显,可以实现混凝土结构初期新生裂缝的监测。在裂缝处应变达到2 500×10-6后,可以肉眼观察到脱胶现象,分布光纤在钢板裂缝的附近约1 cm范围进入自由拉伸状态。

裂缝0°～30°夹角下的光纤应变与裂缝宽度的关系见图6。

图6 不同裂缝夹角下0.9 mm分布光纤应变峰值

由图6可知,在光纤识别出裂缝后,应变测试值与裂缝宽度存在线性关系,在初始识别裂缝后,拟合可得到相应的斜率系数K,光纤与裂缝的夹角θ越大,K值越大,可见较大夹角下,光纤对裂缝宽度敏感性越高。

图7为用环氧树脂胶水黏贴的光纤测试结果,与图6结果进行对比可看出FR黏贴的光纤组应变滑移区相较502快干胶组来说变短,应变测试曲线更加平滑,无明显的抖动现象,0.01 mm时可以识别到裂缝的出现,综合来看高剪切模量的环氧树脂胶水FR在分布光纤监测方面的表现优于502快干胶。

图7 环氧树脂脱胶图

不同黏贴宽度的分布光纤在识别出裂缝后,裂缝宽度与应变数值都有明显线性段出现,对于7.5 mm黏贴宽度的分布光纤,在最后一级裂缝步时应变峰值突增、目测出现脱胶现象环氧树脂出现裂痕。应变数值呈现异常增长,脱胶范围为裂缝附近约2 cm左右。不同环氧树脂黏贴宽度下的光纤应变峰值见图8,当环氧树脂宽度为5,7.5,10 mm时,能识别到的初始裂缝宽度分别为0.01,0.04,0.1 mm,可见环氧树脂胶黏贴宽度越宽,能识别到的初始裂缝宽度越宽,出现预警信息越晚;黏贴宽度窄时,光纤识别更灵敏,但环氧树脂容易脱胶,使得光纤在裂缝处为自由拉伸状态脱离了基体表面,不利于光纤的保护与后续连续监测,因此,对于复杂的混凝土环境,推荐环氧树脂布设宽度不小于10 mm。

图8 不同环氧树脂黏贴宽度下的光纤应变峰值

曲线积分长度Δx的值是积分计算裂缝宽度与实际裂缝宽度误差的重要影响因素,式(4)中使得计算裂缝宽度值最接近实际裂缝宽度值Wi时,称Δx为最优曲线积分长。以FR环氧树脂5 mm黏贴组为例,最优曲线积分长度Δx与曲线的应变峰值拟合曲线见图9,由图9发现,当应变峰值大于500×10-6时,最优曲线积分长度主要集中在20 mm附近。

图9 最优积分长度与峰值应变拟合曲线图

取最优积分长度与固定积分长度20 mm 2种情况下,计算裂缝宽度与实际裂缝宽度的对比,最优积分长度与峰值应变拟合曲线图见图10。

图10 最优积分长度与峰值应变拟合曲线图

其中固定积分长度计算值与实际裂缝宽度的方差S12=5.548×10-4mm2,最优积分长度计算值与实际裂缝宽度的方差S22=2.000 7×10-5mm2。在简化情况下,推荐取固定积分长度20 mm作为单条裂缝宽度计算的积分长度,不同黏贴宽度的计算宽度与实际宽度对比值见图11。

图11 不同黏贴宽度的计算宽度与实际宽度对比值

由图11可知,布设宽度5 mm的分布光纤积分计算裂缝宽度与实际宽度值最符合,说明环氧树脂黏贴的宽度越窄,应变曲线积分得到的裂缝宽度与实际裂缝宽度值越相近,这是由于随着中间层产生滑移,测试裂缝值会大于实际裂缝值,随着黏贴宽度的增大,积分计算宽度值变小,中间层剪滞现象更明显,初始识别裂缝宽度增大。从裂缝宽度计算的角度来说,黏接剂黏接宽度越小,积分计算裂缝宽度越接近真实值。

3 结论

OFDR分布式光纤具有高空间分辨率,可以实现对裂缝的精准定位与连续、实时监测的需求。本文通过试验研究了OFDR在小于0.3 mm宽度裂缝发展位置及发展规律的测试效果,试验结果表明:

1) OFDR分布光纤可以监测微小裂缝的出现。0.9 mm紧护套分布光纤在结构裂缝0.01 mm时即可进行识别预警,根据应变曲线波峰的位置可定位到裂缝位置,光纤识别出裂缝后,应变测试值与裂缝宽度存在线性关系。

2) 光纤与裂缝的夹角、光纤的布设工艺对于裂缝识别的初始宽度有影响,识别后峰值应变与裂缝宽度间存在线性关系。对于实际混凝土结构工程分布光纤监测来说,环氧树脂胶水表现比快干胶更好,黏贴带推荐布设宽度1 cm、厚度5 mm以内。

3) 根据斜交裂缝宽度计算公式。给出在测试空间分辨率1 mm,环氧树脂FR布设宽度5 mm情况下,最优积分长度与应变峰值的拟合曲线,发现当分布光纤微应变大于500×10-6时,最优曲线积分长度集中在20 mm附近,简化计算时可取曲线积分长度20 mm。