混凝土结构裂缝高空间分辨率应变测量技术探测模拟试验

刘 浩， 吴静红， 杨 鹏， 魏广庆， 唐柏鉴

（1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州215011； 2.南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京210023； 3.苏州南智传感科技有限公司，江苏 苏州215123）

混凝土裂缝是结构老化损坏的迹象，裂缝会破坏混凝土的整体性和抗渗性，加速老化过程，降低结构强度。 混凝土裂缝无法彻底消除，更难以预测[1]，因此准确实时地监测裂缝的出现和发展是混凝土结构健康监测的重要内容。 目前混凝土结构裂缝监测的技术，主要有超声波探测、红外探测仪、CT 断层扫描[2]等，这些技术在实际应用中都存在一定的限制，只能监测结构中已有的裂缝，无法提供有关裂缝发展的信息。

光纤传感器是以光为信号，光纤为传播介质感知外界应变、温度等信号的传感器。 近年来，光纤传感器因其重量轻、体积小、抗电磁干扰、抗雷击、耐腐蚀、对裂缝进行分布式连续监测等优势广泛应用于大型结构的健康监测[3-6]。 其中，准分布式的光纤光栅是利用紫外线对光纤进行调制加工而成的传感器，其精度很高，可以实现对裂缝发展的准确监测。目前，光纤光栅监测在桥梁、道路和隧道损伤监测等方面应用较多[7]。光纤光栅通过对调制波长的选择，可以在同一根光纤中制作多个传感器，实现准分布式监测，但是混凝土裂缝的出现具有时空随机性，光纤光栅传感器难以监测到所有裂缝，因此应用受到限制。 全分布式光纤监测技术可实现长距离分布式监测。 童恒金[8]基于布里渊光时域分析技术（BOTDA）对PHC 桩水平挠度进行了检测，其结果表明BOTDA 技术可以准确获得水平荷载对PHC 桩的影响深度。 Ding[9]基于BOTDA 技术监测SMW 桩的应变，由此推算出桩的弯曲变形和水平位移，并提出了一种计算桩弯矩的方法。 卢毅[10]应用布里渊光时域反射计（BOTDR）准确捕捉到了地裂缝的发生和发展，并较好地预测了潜在地裂缝的发展趋势，所用解调仪空间分辨率为1 m。 叶宇霄[11]等基于BOTDA 分布式光纤传感技术，提出了一种裂缝成像方法，并研究了光纤角度对应变的影响，解调仪空间分辨率为10 cm，通过修正可以将误差控制在4 cm 内。 然而，空间分辨率是制约这一技术用于混凝土裂纹探测的关键， 仪器读取的应变数据是空间分辨率长度内光纤应变的平均值，BOTDA 的空间分辨率最高只能达到5 cm，BOTDR 更是达到了1 m，而混凝土裂缝的宽度为毫米级，因此在裂缝位置的识别上往往较为粗糙。

光频域反射计（OFDR）技术是一种基于瑞利散射光变化的全分布式应变测量技术。 光纤中的瑞利散射是由于光纤材料的折射率随机变化导致的，当光纤产生应变时，背向瑞利散射信号的频率会发生漂移，漂移量与光纤所受的应变成正比。 由于这种随机分布的性质比较稳定，所以可以将光纤各处看作是一种具有随机周期的弱光纤布拉格光栅[12]。 OFDR 技术的空间分辨率与探测器带宽无关，而是与频谱分析精度有关，所以其空间分辨率与精度远高于传统光时域反射分析类分布式感测技术[13]，可以达到毫米级。

孙义杰[14]等利用OFDR 技术研究了不同粘贴长度和中间层参数下，分布式光纤传感器的应变传递系数并进行了理论推导，验证了理论推导的公式。 Chen R Z[15]在实验室中模拟混凝土块受液压开裂，使用OFDR技术监测混凝土块的裂缝，以此了解混凝土受水力压坏的过程。 Barrias A[16]将OFDR 技术用于混凝土应变检测，研究了表贴式光纤应变和埋入式光纤应变的不同，以及两种不同的粘结剂对应变的影响。 目前，上述研究大多集中于利用OFDR 对混凝土应变进行监测，利用该技术对裂缝产生及发展进行深入的研究还较少。

因此，本文设计了混凝土梁模型试验，利用基于OFDR 的分布式光纤监测技术对混凝土梁开裂破坏全过程进行监测，探究了高空间分辨率的应变测量技术在混凝土结构开裂辨识和裂缝深宽发展监测上的精确性和可行性。

1 混凝土梁裂缝识别与监测试验

1.1 试验仪器及材料

本试验使用的OFDR 解调仪是JUNNO 公司生产的OSI-S 分布式光纤传感仪， 有效测量距离100 m，空间分辨率最高可达1 mm， 传感精度可达1με （见图1）。 使用的光纤为苏州南智传感科技有限公司生产的0.9 mm 高传递紧包护套应变感测光缆，封装材料为聚氨酯，弹性模量为1.75 GPa（见图2）。

图1 OFDR 解调仪

图2 光纤实物图

试验模型为截面尺寸120 mm×160 mm，长1 800 mm 的钢筋混凝土梁，混凝土强度等级C30，钢筋采用HRB335 级，浇筑完成后养护28 d，表1 列出了梁的配筋及截面参数。

表1 混凝土梁界面参数

1.2 试验方案

光纤布设分为混凝土梁内部和表面两次布设，布设方式见图3。 内部光纤是在扎好钢筋笼之后，浇筑混凝土之前布设，考虑本试验简支梁受力特点，梁上部受压很难出现裂缝，因此只在中间和下部分别沿全长布设两道光纤，下部光纤定点绑扎在受拉筋上记为L1 和L2，中部光纤定点绑扎在箍筋上记为M1 和M2，中下两道光纤距离下表面距离分别为37 mm 和80 mm。 表面光纤是在混凝土养护结束后布设，在混凝土梁底部中间位置对称布设1 m 长0.9 mm 高传递紧包护套光缆，记为S1 和S2，两根光缆间距3 cm，将混凝土梁底部打磨光滑并用无水乙醇清洁后使用环氧树脂胶粘贴。 如图4 所示，梁的受力方式为四点受弯，纯弯段长600 mm。 力控制加载，每级荷载加力2 kN，试验开始前记录初始数据，架设分配梁及千斤顶后记为第一级荷载，每级加载待稳定5 min 后读数，加载至32 kN 混凝土梁开裂破坏无法采集数据结束试验。 每级荷载下用OFDR 监测光纤应变值，并用裂缝测宽仪探测裂缝。

图3 混凝土梁光纤布设图（a：内部光纤布设；b：下表面光纤布设）

图4 现场试验实物图

2 试验数据分析

2.1 裂缝定位与识别

如图5 所示，试验结束时可见混凝土梁下表面共产生14 条裂缝，从左至右分别标记为C1-C14，其中在1 m 光纤黏贴长度范围内产生10 条裂缝（C3-C12）。 下表面两根光纤各级荷载下的应变数据显示S1 和S2均监测到10 个应变波峰（见图6（a）和（b））。 由于混凝土裂缝大多沿箍筋开裂，本试验的箍筋间距为10 cm，监测到的裂缝间距大致符合此规律，并且经对比发现，应变的波峰位置与混凝土梁的裂缝位置具有一一对应关系， 波峰位置与实际的裂缝位置统计如图7 所示， 在裂缝定位识别上S1 最大误差0.56%， 平均误差0.28%；S2 最大误差0.56%，平均误差0.33%。

图5 混凝土梁下表面实拍图

以S2 应变数据0.63 m 位置处裂缝C5 为例（见图8），将分配梁放置在小梁上后，即初级荷载作用下，应变数据出现波峰，在第一级荷载下产生了约100 με，将此时的数据积分得裂纹宽度约0.002 mm，肉眼不可见。 直至加载第三级后，边角处出现肉眼可见裂缝，加载第四级时裂缝宽度达到约0.05 mm。 说明0.9 mm 光纤的裂缝最小识别宽度为0.002 mm，OFDR 高空间分辨率应变测量技术可以在肉眼可见裂缝发生前监测到该裂缝的存在，适用于裂缝发生前的预警预报。

图7 裂缝位置对比图（a：S1 裂缝位置对比图；b：S2 裂缝位置对比图）

图8 C5 应变数据图

2.2 裂缝发展规律分析

如图9 所示，试验中混凝土梁的受力方式为四点弯，结构的B 截面和C 截面既是剪力最大点，又是弯矩最大点，是结构的危险截面。 由监测结果可知，B、C 截面附近的C5、C6、C10、C11 四条裂缝出现最早、发展最快，最终开裂宽度也是最大，这是由于实际材料并不均匀，所以最先出现的裂缝与B、C 截面不完全重合，而是出现在两个截面的附近区域。裂缝开裂前期有一段缓慢发展阶段，随后开始快速发展，并且每级荷载下发展宽度大致均匀（见图10）。

图9 结构及荷载示意图

图10 裂缝宽度随荷载发展变化图

2.3 裂缝深度变化监测

图11 为混凝土梁图像侧面，试验结束时共产生12 条可见裂缝及2 条肉眼不可见的微裂纹（裂缝测宽仪显示），对应梁底面14 条裂缝。混凝土梁内部L1、L2、M1、M2 四条光缆的应变数据如图12（a）-12（d）所示，由图可知，L1 和L2 监测到14 个波峰，对应混凝土下表面14 条裂缝，其中最外侧两条肉眼不可见裂缝应变较小。 M1 和M2 监测到了12 个波峰，说明有12 条裂缝发展至混凝土梁中部，两侧较小裂缝没有发展到中部，与观测结果一致。

图13 为不同荷载级数下混凝土梁应变云图。 其中，图13（a）为2 kN 荷载作用下的应变云图，梁体应变小于1 000 με，中性轴上部存在压应变；图13（b）为12 kN 荷载作用下的应变云图，梁的下表面有7 处应变超过1 000 με，有一条扩展至梁高0.04 m 处；图13（c）为22 kN 荷载作用下的应变云图，梁的下表面有10处应变超过1 000 με，且全部扩展至梁高0.04 m 处，有4 条扩展至梁高0.08 m 处；图13（d）为32 kN 荷载作用下的应变云图，应变继续向上扩展，梁高0.08 m 处有6 条超过1 000 με。由此可以看出，在荷载作用下，梁体应变从下到上逐渐变小，且随着荷载增大，应变逐渐增大，并且向上扩展。 因此可以根据应变大小判断裂缝开裂的深度。 以混凝土梁C5 裂缝为例，S1 在第二级荷载后应变数据出现明显波峰，L1 在第三级荷载后出现明显波峰，M1 在第七级荷载后出现明显波峰，即C5 裂缝在第二级荷载下开始开裂，然后逐渐向上扩展，到第七级荷载时开裂至梁体中间。

图11 混凝土梁侧面实拍图

图13 混凝土梁应变云图（a：2 kN 荷载；b：12 kN 荷载；c：22 kN 荷载；d：32 kN 荷载）

图14 混凝土梁侧面C5 和C6 裂缝开裂方向图

值得注意的是，以混凝土梁C5 和C6 两条裂缝为例，图14 是由表面至内部三条光纤在最后一级荷载下应变数据，可以发现波峰位置由表面至内部逐渐向右侧移动，实际观察发现裂缝从下到上往右上方发展，与监测结果一致，说明OFDR 高空间分辨率应变测量技术可以监测裂缝开裂深度以及裂缝开裂方向。

3 结论

针对混凝土结构工程对裂缝监测的需求，通过实验研究了基于OFDR 的高空间分辨率应变测量技术在裂缝监测中的应用，得到以下结论：

（1）OFDR 分布式光纤感测技术具有高空间分辨率应变测量优势，适用于混凝土结构裂缝精细化监测，可实现混凝土裂缝的实时连续、分布式监测。

（2）高空间分辨率应变测量技术可以实现裂缝定位，光纤应变曲线的波峰位置即为裂缝位置，定位最大误差0.56%，平均误差约为0.3%。

（3）利用0.9 mm 聚氨酯紧包护套应变感测光缆配合OFDR 解调仪，裂缝最小识别宽度为0.002 mm，即裂缝在肉眼不可见阶段可被监测，可以实现微裂纹预警。

（4）可以通过在混凝土内部预先布设应变感测光缆的方法实现裂缝发展深度监测及裂缝发展方向判定，其定位的精度取决于深度方向上预先布设光缆的密度。