【OFDR应用实例】钢筋混凝土裂缝定位试验研究

  ICC讯 本次实验围绕OFDR分布式光纤技术展开，其具备的高空间分辨率特性，可有效实现对混凝土裂缝的分布式、实时且连续的监测。实验重点探究了该技术在混凝土结构开裂识别及发展状态监测方面的实际应用。

  1.样品制备及光纤布设

  试件制备方案：

图1 混凝土小梁及截面设计

  尺寸与强度：制作混凝土简支梁试件，截面尺寸为120mm×160mm，梁长1800mm，设计强度等级为C30，采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，钢筋笼采用HRB335级螺纹钢筋。

  光纤布设方案：

  监测光缆布设分为内部埋入式和下表面表贴式两种。

  埋入式如图2，梁每个位置布设0.9mm光缆;表贴式如图3，梁下表面布设两根0.9mm光缆。

  加载方案：

  加载方式为力控制加载，逐级施加荷载(每级2kN)，稳定5分钟后采集数据，直至光缆破坏或梁体失稳。

  使用OSI-S，空间分辨率1cm采集各光缆应变数据，配合裂缝测宽仪观测表面裂缝宽度与发展轨迹。

  2.试验结果及数据分析

  混凝土梁表贴式光缆：

  由图4可知，光纤布设区域共产生10条裂缝，将其从左至右分别标记为 K1-K14，其中在下表面的两根 0.9mm 光缆黏贴范围内存在 10 条裂缝(K3-K12)。

图4 裂缝实拍图

      光缆应变峰值点对应裂缝位置，其中K5、K6、K10、K11四处裂缝的应变峰值最大，表明其开裂最严重，且在前两级荷载下最早出现;0.9mm光缆在峰值应变达 8000με 时，仍可清晰分辨各裂缝波峰;

图5 两根光纤应变曲线图

  OFDR 技术可在微裂纹肉眼不可见时(如第一级荷载下产生约 100με 波峰)监测到裂纹，较传统技术更早预警，第三级荷载后出现肉眼可见裂缝。

图6 裂缝K5曲线图

  如图7混凝土梁底面监测裂缝与实际直观对比图，可以看到两条0.9mm 光缆的波峰位置也并非相同，经对比波峰位置与裂缝实际位置发现(图3.14)，波峰位置更加贴近裂缝走向，在厘米级别上识别了裂缝扭曲的发展趋势。如若更加密集的布设光缆，OFDR技术可以监测到精细的裂缝发展趋势。

图7 混凝土梁底面监测裂缝与实际直观对比

  混凝土梁埋入式光缆：

  由图可知，梁体内部早期及较大裂缝集中在纯弯段两侧，梁内光缆应变峰值自下而上递减。FM-1-1/1-2监测到14个波峰(对应下表面14条裂缝，外侧两条峰值较小)，FU-1-1/1-2仅监测到12个波峰(仅中间12条裂缝发展至梁中部)，与观测结果吻合。

图8 混凝土梁内部光缆应变图

  图9为快应变云图，图中可知，结构应变达100με时产生微裂纹，300με时出现可见裂缝。FB-1-1光缆在第1级荷载达100με(下表面开裂)，第2级达300με;FD-1-1第2级达100με，第3级达300με(开裂至下部箍筋);FM-1-1第5级达100με，第7级明显扩展(至梁中部)。应变云图显示K5裂缝从第1级微裂逐步扩展至第7级梁体中部。

图9 裂缝k5应变云图

  与表贴式相同，光缆应变数据可监测裂缝深度弯曲发展，如K5、K6裂缝，表面至内部三条光缆在末级荷载下的应变波峰位置从表面到内部右移，与实际裂缝自下而上向右上方发展的观测结果一致，表明OFDR高空间分辨率技术在裂缝走向精细监测中表现优越。

图10 侧面k5、k6裂缝图

  3.总结

  OFDR 分布式光纤传感技术通过高空间分辨率应变监测，实现了钢筋混凝土裂缝从微裂纹到可见裂缝的全周期精准定位与量化分析，将数据制作为应变云图后，可直观的监测裂缝产生与发展，实现结构损伤识别，其早期预警、精细分辨能力显著优于传统监测手段，为结构安全评估提供了可靠的技术支撑。