ICC訊 本次實(shí)驗(yàn)圍繞OFDR分布式光纖技術(shù)展開，其具備的高空間分辨率特性，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土裂縫的分布式、實(shí)時(shí)且連續(xù)的監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)探究了該技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)開裂識(shí)別及發(fā)展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)方面的實(shí)際應(yīng)用。

  1.樣品制備及光纖布設(shè)

  試件制備方案：

圖1 混凝土小梁及截面設(shè)計(jì)

  尺寸與強(qiáng)度：制作混凝土簡(jiǎn)支梁試件，截面尺寸為120mm×160mm，梁長(zhǎng)1800mm，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，采用P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，鋼筋籠采用HRB335級(jí)螺紋鋼筋。

  光纖布設(shè)方案：

  監(jiān)測(cè)光纜布設(shè)分為內(nèi)部埋入式和下表面表貼式兩種。

  埋入式如圖2，梁每個(gè)位置布設(shè)0.9mm光纜;表貼式如圖3，梁下表面布設(shè)兩根0.9mm光纜。

  加載方案：

  加載方式為力控制加載，逐級(jí)施加荷載(每級(jí)2kN)，穩(wěn)定5分鐘后采集數(shù)據(jù)，直至光纜破壞或梁體失穩(wěn)。

  使用OSI-S，空間分辨率1cm采集各光纜應(yīng)變數(shù)據(jù)，配合裂縫測(cè)寬儀觀測(cè)表面裂縫寬度與發(fā)展軌跡。

  2.試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

  混凝土梁表貼式光纜：

  由圖4可知，光纖布設(shè)區(qū)域共產(chǎn)生10條裂縫，將其從左至右分別標(biāo)記為 K1-K14，其中在下表面的兩根 0.9mm 光纜黏貼范圍內(nèi)存在 10 條裂縫(K3-K12)。

圖4 裂縫實(shí)拍圖

      光纜應(yīng)變峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)裂縫位置，其中K5、K6、K10、K11四處裂縫的應(yīng)變峰值最大，表明其開裂最嚴(yán)重，且在前兩級(jí)荷載下最早出現(xiàn);0.9mm光纜在峰值應(yīng)變達(dá) 8000με 時(shí)，仍可清晰分辨各裂縫波峰;

圖5 兩根光纖應(yīng)變曲線圖

  OFDR 技術(shù)可在微裂紋肉眼不可見時(shí)(如第一級(jí)荷載下產(chǎn)生約 100με 波峰)監(jiān)測(cè)到裂紋，較傳統(tǒng)技術(shù)更早預(yù)警，第三級(jí)荷載后出現(xiàn)肉眼可見裂縫。

圖6 裂縫K5曲線圖

  如圖7混凝土梁底面監(jiān)測(cè)裂縫與實(shí)際直觀對(duì)比圖，可以看到兩條0.9mm 光纜的波峰位置也并非相同，經(jīng)對(duì)比波峰位置與裂縫實(shí)際位置發(fā)現(xiàn)(圖3.14)，波峰位置更加貼近裂縫走向，在厘米級(jí)別上識(shí)別了裂縫扭曲的發(fā)展趨勢(shì)。如若更加密集的布設(shè)光纜，OFDR技術(shù)可以監(jiān)測(cè)到精細(xì)的裂縫發(fā)展趨勢(shì)。

圖7 混凝土梁底面監(jiān)測(cè)裂縫與實(shí)際直觀對(duì)比

  混凝土梁埋入式光纜：

  由圖可知，梁體內(nèi)部早期及較大裂縫集中在純彎段兩側(cè)，梁內(nèi)光纜應(yīng)變峰值自下而上遞減。FM-1-1/1-2監(jiān)測(cè)到14個(gè)波峰(對(duì)應(yīng)下表面14條裂縫，外側(cè)兩條峰值較小)，F(xiàn)U-1-1/1-2僅監(jiān)測(cè)到12個(gè)波峰(僅中間12條裂縫發(fā)展至梁中部)，與觀測(cè)結(jié)果吻合。

圖8 混凝土梁內(nèi)部光纜應(yīng)變圖

  圖9為快應(yīng)變?cè)茍D，圖中可知，結(jié)構(gòu)應(yīng)變達(dá)100με時(shí)產(chǎn)生微裂紋，300με時(shí)出現(xiàn)可見裂縫。FB-1-1光纜在第1級(jí)荷載達(dá)100με(下表面開裂)，第2級(jí)達(dá)300με;FD-1-1第2級(jí)達(dá)100με，第3級(jí)達(dá)300με(開裂至下部箍筋);FM-1-1第5級(jí)達(dá)100με，第7級(jí)明顯擴(kuò)展(至梁中部)。應(yīng)變?cè)茍D顯示K5裂縫從第1級(jí)微裂逐步擴(kuò)展至第7級(jí)梁體中部。

圖9 裂縫k5應(yīng)變?cè)茍D

  與表貼式相同，光纜應(yīng)變數(shù)據(jù)可監(jiān)測(cè)裂縫深度彎曲發(fā)展，如K5、K6裂縫，表面至內(nèi)部三條光纜在末級(jí)荷載下的應(yīng)變波峰位置從表面到內(nèi)部右移，與實(shí)際裂縫自下而上向右上方發(fā)展的觀測(cè)結(jié)果一致，表明OFDR高空間分辨率技術(shù)在裂縫走向精細(xì)監(jiān)測(cè)中表現(xiàn)優(yōu)越。

圖10 側(cè)面k5、k6裂縫圖

  3.總結(jié)

  OFDR 分布式光纖傳感技術(shù)通過高空間分辨率應(yīng)變監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了鋼筋混凝土裂縫從微裂紋到可見裂縫的全周期精準(zhǔn)定位與量化分析，將數(shù)據(jù)制作為應(yīng)變?cè)茍D后，可直觀的監(jiān)測(cè)裂縫產(chǎn)生與發(fā)展，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別，其早期預(yù)警、精細(xì)分辨能力顯著優(yōu)于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段，為結(jié)構(gòu)安全評(píng)估提供了可靠的技術(shù)支撐。