【OFDR應用實例】鋼筋混凝土裂縫定位試驗研究

  ICC訊 本次實驗圍繞OFDR分布式光纖技術展開，其具備的高空間分辨率特性，可有效實現對混凝土裂縫的分布式、實時且連續的監測。實驗重點探究了該技術在混凝土結構開裂識別及發展狀態監測方面的實際應用。

  1.樣品制備及光纖布設

  試件制備方案：

圖1 混凝土小梁及截面設計

  尺寸與強度：制作混凝土簡支梁試件，截面尺寸為120mm×160mm，梁長1800mm，設計強度等級為C30，采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，鋼筋籠采用HRB335級螺紋鋼筋。

  光纖布設方案：

  監測光纜布設分為內部埋入式和下表面表貼式兩種。

  埋入式如圖2，梁每個位置布設0.9mm光纜;表貼式如圖3，梁下表面布設兩根0.9mm光纜。

  加載方案：

  加載方式為力控制加載，逐級施加荷載(每級2kN)，穩定5分鐘后采集數據，直至光纜破壞或梁體失穩。

  使用OSI-S，空間分辨率1cm采集各光纜應變數據，配合裂縫測寬儀觀測表面裂縫寬度與發展軌跡。

  2.試驗結果及數據分析

  混凝土梁表貼式光纜：

  由圖4可知，光纖布設區域共產生10條裂縫，將其從左至右分別標記為 K1-K14，其中在下表面的兩根 0.9mm 光纜黏貼范圍內存在 10 條裂縫(K3-K12)。

圖4 裂縫實拍圖

      光纜應變峰值點對應裂縫位置，其中K5、K6、K10、K11四處裂縫的應變峰值最大，表明其開裂最嚴重，且在前兩級荷載下最早出現;0.9mm光纜在峰值應變達 8000με 時，仍可清晰分辨各裂縫波峰;

圖5 兩根光纖應變曲線圖

  OFDR 技術可在微裂紋肉眼不可見時(如第一級荷載下產生約 100με 波峰)監測到裂紋，較傳統技術更早預警，第三級荷載后出現肉眼可見裂縫。

圖6 裂縫K5曲線圖

  如圖7混凝土梁底面監測裂縫與實際直觀對比圖，可以看到兩條0.9mm 光纜的波峰位置也并非相同，經對比波峰位置與裂縫實際位置發現(圖3.14)，波峰位置更加貼近裂縫走向，在厘米級別上識別了裂縫扭曲的發展趨勢。如若更加密集的布設光纜，OFDR技術可以監測到精細的裂縫發展趨勢。

圖7 混凝土梁底面監測裂縫與實際直觀對比

  混凝土梁埋入式光纜：

  由圖可知，梁體內部早期及較大裂縫集中在純彎段兩側，梁內光纜應變峰值自下而上遞減。FM-1-1/1-2監測到14個波峰(對應下表面14條裂縫，外側兩條峰值較小)，FU-1-1/1-2僅監測到12個波峰(僅中間12條裂縫發展至梁中部)，與觀測結果吻合。

圖8 混凝土梁內部光纜應變圖

  圖9為快應變云圖，圖中可知，結構應變達100με時產生微裂紋，300με時出現可見裂縫。FB-1-1光纜在第1級荷載達100με(下表面開裂)，第2級達300με;FD-1-1第2級達100με，第3級達300με(開裂至下部箍筋);FM-1-1第5級達100με，第7級明顯擴展(至梁中部)。應變云圖顯示K5裂縫從第1級微裂逐步擴展至第7級梁體中部。

圖9 裂縫k5應變云圖

  與表貼式相同，光纜應變數據可監測裂縫深度彎曲發展，如K5、K6裂縫，表面至內部三條光纜在末級荷載下的應變波峰位置從表面到內部右移，與實際裂縫自下而上向右上方發展的觀測結果一致，表明OFDR高空間分辨率技術在裂縫走向精細監測中表現優越。

圖10 側面k5、k6裂縫圖

  3.總結

  OFDR 分布式光纖傳感技術通過高空間分辨率應變監測，實現了鋼筋混凝土裂縫從微裂紋到可見裂縫的全周期精準定位與量化分析，將數據制作為應變云圖后，可直觀的監測裂縫產生與發展，實現結構損傷識別，其早期預警、精細分辨能力顯著優于傳統監測手段，為結構安全評估提供了可靠的技術支撐。