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(jié)構(gòu)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)

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

混凝土結(jié)構(gòu);裂縫監(jiān)測;裂縫擴展;光纖傳感;BOTDA

土木工程領(lǐng)域的大多數(shù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定,依據(jù)不同的環(huán)境類別設(shè)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(jié)構(gòu)的整體性和安全性。國內(nèi)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(shù)手段識別和跟蹤監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)裂縫,可為工程結(jié)構(gòu)的運營管理提供有效的數(shù)據(jù)支持。

目前,常用的裂縫檢測方法包括傳統(tǒng)裂縫觀測儀和裂紋擴展片以及新型的光彈貼片和聲發(fā)射技術(shù)等,均能準確獲取裂縫開展過程[3]。上述技術(shù)多依賴于技術(shù)人員定期巡檢,存在人為誤差、高空作業(yè)等不足,同時裂縫具有顯著的時空隨機性特點,難以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫的全面、長期、實時自動監(jiān)測。光纖傳感技術(shù),特別是分布式光纖傳感技術(shù),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(xù)造成的漏檢現(xiàn)象。Leung[4-5]提出基于OTDR的光纖微彎引起光強損耗監(jiān)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(yīng)用開展基礎(chǔ)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(jiān)測裂縫是利用光損和裂縫存在關(guān)聯(lián)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(tài)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(nèi)的分布式光纖傳感技術(shù),主要針對大型、長距離的基礎(chǔ)工程進行健康監(jiān)測,已在隧道、基坑等工程應(yīng)變監(jiān)測中應(yīng)用[9-10],將其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測相對較少。Lu[11]等人將BOTDA裂縫監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于某瀝青鋪裝層的裂縫監(jiān)測中;錢振東[12]等人開展了基于BOTDA的橋面板疲勞裂縫監(jiān)測研究,利用光纖應(yīng)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(jiān)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(yīng)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(shù)結(jié)合斜交光纖組的裂縫監(jiān)測方法,通過理論分析建立了光纖應(yīng)變和裂縫寬度及走向的數(shù)值關(guān)系,并標定了300 mm標距的光纖裂縫傳感器實測應(yīng)變和裂縫寬度及夾角的定量關(guān)系。本文在前文研究基礎(chǔ)上,結(jié)合鋼筋混凝土裂縫發(fā)生及發(fā)展的特點,采用梁側(cè)全面粘貼和斜交裂縫組的方式對裂縫發(fā)展進行了識別和寬度跟蹤監(jiān)測試驗研究。

1 基于BOTDA的混凝土初裂識別與裂寬監(jiān)測原理

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

(1)

式中,vB(0)為初始應(yīng)變、初始溫度時布里淵頻率頻移量,vB(ε,T)為在應(yīng)變ε、溫度T時布里淵頻率漂移量,dvB/dT溫度比例系數(shù),dvB/dε為應(yīng)變比例系數(shù),T-T0為光纖溫度差;ε為光纖應(yīng)變變化量。分布式光纖應(yīng)變傳感技術(shù)可對結(jié)構(gòu)應(yīng)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(shù)需考慮空間分辨率影響。采樣點的應(yīng)變數(shù)據(jù)實際上是一段光纖內(nèi)應(yīng)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(jiān)測原理

混凝土裂縫的開展過程主要經(jīng)歷以下3個階段:第1階段為裂縫形成階段,混凝土應(yīng)變逐漸增加至混凝土極限拉應(yīng)變;第2階段為裂縫發(fā)展階段:混凝土首先出現(xiàn)1條主裂縫(w1),裂縫周邊混凝土應(yīng)力釋放但仍然處于受拉狀態(tài),隨著荷載持續(xù)增加,則將相繼出現(xiàn)多條裂縫(w1至wn),裂縫間混凝土應(yīng)力逐漸釋放;第3階段為裂縫穩(wěn)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(jiān)測裂縫的光纖布置如圖1所示。

圖1 BOTDA監(jiān)測鋼筋混凝土開裂原理

因此,對應(yīng)第1階段的光纖理論應(yīng)變僅為混凝土應(yīng)變:

εf=ε1

(3)

其中,εf為光纖測試應(yīng)變,ε1為混凝土應(yīng)變值,其值小于混凝土極限拉應(yīng)變。

第2階段:光纖理論應(yīng)變由未裂縫混凝土應(yīng)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(yīng)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(wěn)定發(fā)展階段,不再出現(xiàn)新裂縫,混凝土退出工作,光纖理論應(yīng)變僅由裂縫寬度變化引起:

(5)

1.3 混凝土裂縫光纖監(jiān)測的參數(shù)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(shù),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(shè)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(chǎn)生長度變化,其幾何關(guān)系如式(6)所示:

(6)

(7)

一般情況下,混凝土極限抗拉應(yīng)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(yīng)變?yōu)?0 με～270 με,通過式(7)的轉(zhuǎn)換系數(shù)可得光纖實測應(yīng)變?yōu)? με～37.8 με。由BOTDA測試技術(shù)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(yīng)變將淹沒在誤差中,因此本文后續(xù)試驗研究設(shè)計了新型光纖布設(shè)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(shè)未開裂的各段混凝土接近極限拉應(yīng)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(yīng)變?nèi)绫?所示。

表1 光纖應(yīng)變與裂縫寬度理論計算對應(yīng)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(yīng)變值較小,由參數(shù)敏感性分析可知,本文提出的方法可檢測規(guī)范[1]規(guī)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(yīng)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(jīng)形成,混凝土逐漸退出工作,裂縫出現(xiàn)迅速擴展,裂縫寬度增加明顯,光纖所測應(yīng)變數(shù)據(jù)能表征裂縫寬度增加的過程。

根據(jù)參數(shù)敏感性分析的結(jié)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(shè)在梁側(cè),采用全面粘結(jié)方式,用于監(jiān)測鋼筋混凝土梁的初始開裂;梁Ⅱ的傳感光纖布設(shè)在梁底,采用斜交光纖組的方式監(jiān)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(jiān)測光纖傳感器的布設(shè)

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(shè)在梁體側(cè)面,由AB膠進行全面粘結(jié)。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(qū)間混凝土僅存在軸向拉應(yīng)變,不存在剪切應(yīng)變。將光纖斜向布設(shè)在該區(qū)域時,僅有裂縫穿過才會使光纖產(chǎn)生拉應(yīng)變,純彎曲段光纖布設(shè)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(jié)的方式布設(shè)在梁側(cè),可識別裂縫沿著梁高方向的發(fā)展,共布設(shè)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(wěn)定,擺動等機械運動會影響傳感段的測試應(yīng)變值。

2.2 初始開裂識別試驗結(jié)果分析

本文采用瑞士OMNISENS公司的DITEST STA-R型BOTDA傳感器,設(shè)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(fā)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(yīng)變相比其余各段傳感光纖急劇增加,裂縫觀測儀的跟蹤監(jiān)測表明,在⑧號光纖和梁底交界處出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)一個突變峰。

圖4 荷載等級20 kN時光纖應(yīng)變測試曲線

圖5為荷載等級達92 kN時光纖的測試應(yīng)變曲線,由圖中可知各段傳感光纖均已感應(yīng)到裂縫信息,同時各段光纖的應(yīng)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(yīng)變測試曲線

圖6 各光纖傳感器應(yīng)變?nèi)^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(xiàn)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(xiàn)象和裂縫觀測儀記錄的現(xiàn)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(yīng)變統(tǒng)計如表2所示。

表2 梁Ⅰ裂縫寬度及光纖測試應(yīng)變記錄表

通過對比相鄰2個荷載等級下的光纖應(yīng)變變化,其突變值較大說明該段光纖處存在明顯的應(yīng)變改變,由前面分析可知純彎曲段內(nèi)斜向布置的光纖不受梁體應(yīng)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(jié)果說明,上述布置方式可監(jiān)測到混凝土的初始開裂時刻。

3 混凝土裂縫寬度的跟蹤監(jiān)測試驗研究

3.1 裂縫寬度監(jiān)測光纖傳感器布置

將光纖布設(shè)在梁Ⅱ的底面,梁Ⅱ為鋼-混組合結(jié)構(gòu),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?qū)挾鹊墓饫w布設(shè)空間,試驗布置及光纖在梁底的布設(shè)如圖7所示。光纖傳感器采用點式進行粘結(jié),光纖標距為300 mm,梁底布設(shè)了5個電阻應(yīng)變片。

圖7 裂縫寬度跟蹤監(jiān)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(jiān)測中的應(yīng)用,因此詳細記錄了試驗梁的裂縫開展過程。

3.2 結(jié)果分析

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

圖8 光纖布設(shè)區(qū)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(cè)逐級擴展另一側(cè),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(shè)的5只應(yīng)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(yīng)變大小。5只應(yīng)變片記錄的開裂前最大混凝土應(yīng)變的平均值為257 με,以此作為本梁的混凝土極限拉應(yīng)變值(εmax)。由裂縫的發(fā)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(wěn)定發(fā)展階段不再出現(xiàn)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(jù)2.3節(jié)的理論分析,將裂縫寬度換算成光纖測試應(yīng)變,如表4所示。

由于荷載等級大于260 kN以后,梁支座處出現(xiàn)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(jiān)測時,光纖(④、⑤號光纖)和裂縫之間的夾角較小,光纖測試應(yīng)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(yīng)變值和光纖測試應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力釋放。本文假設(shè)梁底開裂時,裂縫周圍混凝土依然處于極限拉應(yīng)變狀態(tài),該假設(shè)會造成推算處的光纖應(yīng)變偏大,因此出現(xiàn)上圖中的波動現(xiàn)象。

本文在試驗過程中粘貼了80 mm標距應(yīng)變片,獲取了混凝土極限拉應(yīng)變,但是裂縫開展并貫穿應(yīng)變片后,應(yīng)變片失效退出工作,本文沒有記錄裂縫開展引起的應(yīng)力釋放全過程。后續(xù)研究中,可選擇小標距(5.0 mm)的電阻應(yīng)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(yīng)力方向布置,記錄混凝土應(yīng)力釋放過程,作為BOTDA數(shù)據(jù)的修正,需要注意的是選擇傳感器粘貼部位時應(yīng)避開混凝土粗骨料(石子),因為受力過程中粗骨料不存在應(yīng)變。

4 結(jié)論與展望

本文從理論研究出發(fā)分析了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫開展過程中的應(yīng)變變化,提出了受彎裂縫的梁側(cè)斜向布置和梁底斜交裂縫組的監(jiān)測方法,通過試驗驗證了上述方法的有效性,得出如下結(jié)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(shè)方式可實現(xiàn)初始開裂識別,裂縫寬度跟蹤監(jiān)測;②鋼筋混凝土構(gòu)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(cè)斜向光纖布設(shè)方式不受混凝土受彎應(yīng)變的影響,全面粘結(jié)方式增加了傳感器的敏感性。試驗表明,上述布設(shè)方式可準確的撲捉到裂縫的開展過程;③依據(jù)斜交光纖組的測試應(yīng)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(yīng)變間存在較好的對應(yīng)關(guān)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(shè)方式對大裂縫的監(jiān)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(diào)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(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測,如舟山跨海大橋的拉索錨室,常年處于高濕度狀態(tài),傳統(tǒng)傳感器無法正常工作,后期將開展工程應(yīng)用。

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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(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用,jhmao@nit.zju.edu.cn;

崔磊(1982-),男,博士,講師,主要研究方向為結(jié)構(gòu)損傷識別及其在土木工程中的應(yīng)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(shù)方向為結(jié)構(gòu)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(chuàng)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