不同方位下光强与缝宽的关系特性研究

戚丹

摘 要：水工建筑物内部裂缝的扩展具有随机性，为了更好的把握裂缝扩展情况，为裂缝检测提供依据，文章以实验的方式研究了不同裂缝方位下，光损耗与裂缝宽度的关系。最终，通过实验得知随着裂缝方位的增加，光损耗值减少近1/2。

关键词：塑料光纤裂缝传感器；不同方位；关系特性

中图分类号：O433 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）15-0056-02

1 概 述

塑料光纤因其不可低估的优势，在建筑物健康监测领域的应用不断受到重视，将塑料光纤和与其相关的智能监测设备用于裂缝监测很有必要，特别是应用于裂缝扩展比较复杂的水利工程领域。

水工建筑物由于其内部结构和承载荷载的复杂性，使得结构中裂缝的产生具有随机性，实际工程中光纤一般为事先铺设好的，当扩展方位不可知的裂缝产生时，与光纤的夹角讲具有不确定性，会增加裂缝监测的难度。本文将通过实验的方式，研究不同裂缝-光纤夹角下光损耗与裂缝扩展宽度的关系特性。

2 裂缝扩展机理

水工建筑物中，混凝土坝占据重要位置，是一类具有特殊功能要求的大型混凝土结构。混凝土不同于其他材料，是一种复杂的多相复合脆性材料，主要由砂、石、水泥、水及一些外加剂和掺合料构成按一定比例配合而成，而且混凝土内部不可避免地存在着微裂缝等初始缺陷，以上因素决定了混凝土结构宏观表现的力学性能的各向异性，以及一定程度上的离散性[1]。在外内因（如荷载、温度变化）单方面或复合作用下，混凝土结构容易产生裂缝[2]，且裂缝的产生具有随机性，该随机性包括裂缝出现位置的随机性和裂缝扩展方位的随机性。

在荷载作用下混凝土裂缝的扩展包括三个阶段：

①形成，微细裂缝出现在混凝土结构编表面；

②扩展，荷载到达极限抗拉强度的70%便进入缓慢扩展状态，并维持一段时间；

③断裂，当最大荷载出现时断裂区迅速向前扩展，最终导致构件的完全断裂[3]。

3 基于塑料光裂缝传感纤器的裂缝扩展方位实验 研究

本实验研究基于塑料光纤裂缝传感器的不同塑料光纤方位下光强与裂缝扩展宽度的关系特性，目的在于更好的了解裂缝扩展规律，为塑料光纤传感器在裂缝探测方面的实际工程应用提供参考。

3.1 实验设计

文献[4]中提到当随机裂缝出现在坝体表面时，其开展趋势线一般与结构边界呈近似垂直或平行关系。由此可知，若要在坝体中布置光纤，光纤与裂缝的夹角范围为0 °～90 °。因此，本实验选用裂缝与光纤的夹角为15 °、30 °、45 °、60 °、75 °，将进行五组不同方位角的实验。塑料光纤与裂缝布置夹角示意图，如图1所示。

利用两块有机玻璃板的相对移动来模拟裂缝的产生与扩展。

3.2 实验准备

为本次实验装置示意图，如图2所示，需要器材包括：塑料光纤光功率计，红光光源，三菱塑料光纤裸纤及尾纤，两块 15 mm×30 mm×5 mm有机玻璃板。

3.3 实验过程

首先布置裂缝模拟装置，布设光纤时使光纤与对应方向线段重合。本次实验涉及多组塑料光纤-裂缝方位角下的实验，实验组数较多，实验过程中，记录数据时要注意标注清楚读取数据对应的方位角。实验后，要及时除去玻璃板上粘附的光纤及胶水，关掉光功率计和光源并用防尘帽盖住其接头。

4 实验结果分析

整理实验结果，得到不同方位下纤芯直径为0.5 mm的塑料光纤光损耗与裂缝扩展关系，见表1。

由表1，可得到不同方位下光纤损耗与裂缝扩展宽度的变化关系曲线，如图3所示。

五组方位角中，方位角为15 °时，较小的裂缝会产生较大的微弯变形，因此光损耗随着裂缝的扩展最明显。

但实验中光纤不能完全紧贴于玻璃板，靠近裂缝部分会出现光纤与玻璃板的分离，反而使得光损耗不那么明显。因此，鉴于15 °方位角的特殊性，不纳入分析范围。

综合微弯损耗发生机理及实际操作中的因素，使塑料光纤裂缝传感器的灵敏性从高到低的方位角依次是30 °、45 °、60 °、75 °。

塑料光纤裂缝传感器灵敏性随着方位角的增加而降低，且依次以相同倍数降低，这与文献[5]中“裂缝相对于光纤的方位角每增加15 °，则光纤的灵敏性降低1/2以上”这一研究成果相似。

由此可知，塑料光纤同于石英光纤，可以用于探测不同方位下的裂缝扩展。

5 总结与展望

利用一个简易的塑料光纤裂缝传感器，通过实验研究了不同方位下塑料光纤光损耗与裂缝扩展关系的关系，得知，随着裂缝方位的增加，光损耗值减少近1/2。这为后面进一步的研究塑料光纤裂缝传感器提供了实验依据。

但限于实验的多种因素制约，这一结果仅限于实验条件下，实际工程中不同方位下光损耗与缝宽的关系如何还需进一步研究。

参考文献：

[1] 许青，邓涛，董伟，等.基于裂缝扩展准的混凝土重力坝裂缝扩展全过程 数值分析[J].建筑科学与工程学报，2009，（3）.

[2] 徐世烺，赵艳华.混凝土裂缝扩展的断裂过程准则与解析[J].工程力学，

2008，（2）.

[3] 潘小娃，韩海令，田冉，等.建筑混凝土疲劳裂缝扩展机理浅析[J].硅

谷，2008，（17）.

[4] 蔡永强.大坝随机裂缝的光纤智能检测、预警系统设计[J].广西水利水 电，2006，（1）

[5] 吴永红，高培伟，蔡海文.大坝裂缝方位对光纤裂缝传感灵敏性的影响 [J].压电与声光，2007，（3）.