基于光纖傳感技術(shù)的裂縫寬度監(jiān)測(cè)方法

陶江峰

(平頂山龍澤公路工程有限公司 平頂山 467000)

各種混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用過程中因本身施工缺陷及外部因素影響易發(fā)生開裂。裂縫是結(jié)構(gòu)損傷的集中表現(xiàn),其產(chǎn)生和擴(kuò)展直接破壞結(jié)構(gòu)的完整性,引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的急劇惡化,嚴(yán)重降低包括路面在內(nèi)的各種結(jié)構(gòu)的使用年限,我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的裂縫允許寬度為0.2 mm,為了保證結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期可靠安全運(yùn)行,需要采取相應(yīng)的監(jiān)測(cè)手段。目前的混凝土裂縫監(jiān)測(cè)方法包括超聲波法[1]、雷達(dá)法[2]、紅外線法[3]、沖擊回波法[4]等,這些監(jiān)測(cè)方式較為可靠,但是都屬于點(diǎn)式檢測(cè),難以做到全覆蓋式監(jiān)測(cè)。目前有許多學(xué)者對(duì)分布光纖傳感器進(jìn)行了研究和應(yīng)用[5],發(fā)現(xiàn)分布光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)具有高精度、耐久性、連續(xù)性等特點(diǎn),可以有效避免點(diǎn)式檢測(cè)方法的空間不連續(xù)造成的漏檢現(xiàn)象。本文擬開展OFDR分布式光纖技術(shù)識(shí)別微裂縫的理論與試驗(yàn)研究,主要針對(duì)0.3 mm以內(nèi)的微小裂縫進(jìn)行逐級(jí)研究。通過微裂縫檢測(cè)試驗(yàn)對(duì)分布光纖傳感器的封裝與布設(shè)工藝進(jìn)行比選,建立基于分布光纖應(yīng)變曲線的裂縫寬度計(jì)算方法。

1 分布式光纖監(jiān)測(cè)裂縫的理論研究

張俊家[6]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫時(shí),在以裂縫為中心左右大約各0.1 m范圍內(nèi),分布光纖因受到非均勻應(yīng)力,會(huì)在該范圍內(nèi)形成應(yīng)變峰值。當(dāng)分布光纖傳感器垂直于結(jié)構(gòu)裂縫時(shí),傳感光纖將和結(jié)構(gòu)協(xié)同變形并產(chǎn)生拉應(yīng)變,可由OFDR進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。實(shí)際中光纖和裂縫之間存在某一夾角,夾角值為0°～90°之間。裂縫測(cè)試原理見圖1。

圖1 裂縫監(jiān)測(cè)原理圖

假設(shè)分布光纖傳感器與裂縫之間的角度為θ,裂縫寬度為w,應(yīng)變滑移段為L(zhǎng)的傳感光纖應(yīng)變見式(1)。

(1)

式中:L′為滑移段在滑移后的長(zhǎng)度,m;w為裂縫寬度,m。

由式(1)可知,當(dāng)黏貼長(zhǎng)度固定時(shí),光纖測(cè)試應(yīng)變由裂縫寬度w及開裂方向θ共同決定。光纖應(yīng)變?cè)诹芽p處最大,將光纖的應(yīng)變產(chǎn)生變化的一段測(cè)量長(zhǎng)度稱為應(yīng)變滑移區(qū)[7]。裂縫處的光纖應(yīng)變測(cè)試值是裂縫定位和裂縫寬度計(jì)算的主要依據(jù),應(yīng)變滑移區(qū)影響到裂縫定位和裂縫寬度計(jì)算的積分長(zhǎng)度。

張寶祥[8]對(duì)分布式光纖裂縫監(jiān)測(cè)基體裂縫時(shí)光纖應(yīng)變分布函數(shù)進(jìn)行研究,模型假設(shè)所有材料均為線彈性材料,開裂基體為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),裂縫位于對(duì)稱軸處,中間層只受剪應(yīng)力不發(fā)生軸向變形。

圖2為分布光纖測(cè)試結(jié)構(gòu)裂縫示意圖。

圖2 分布光纖測(cè)試結(jié)構(gòu)裂縫示意圖

假設(shè)結(jié)構(gòu)表面真實(shí)應(yīng)變?yōu)棣舖,纖芯應(yīng)變?yōu)棣舊,在z=0處有一個(gè)裂縫寬度w為2δ的裂紋,纖芯線彈性應(yīng)變值如式(2)所示,式中γ為無(wú)量綱的光纖剪切滯后因子,與涂覆層和黏接層的幾何參數(shù)與材料性能有關(guān)。

εf(z)=γC1exp(γz)-γC2exp(-γz)+εm

(2)

對(duì)于z>0的情況,C1和C2是可由邊界條件確定的常數(shù)[9],裂紋寬度小于10-4m時(shí),C1≈0,C2≈-δ,式(2)可以簡(jiǎn)化為式(3)。

εf(z)≈γδexp(-γz)+εm

(3)

當(dāng)取最小空間分辨率時(shí),應(yīng)變測(cè)試曲線是由連續(xù)的1 mm范圍內(nèi)的纖芯平均應(yīng)變測(cè)試值繪制而成,假設(shè)滑移段的長(zhǎng)度為Δx,則斜交裂縫寬度w可以通過式(4)對(duì)滑移段的OFDR位置-應(yīng)變曲線積分來(lái)確定[10],x=0為裂縫中心位置。

(4)

2 基于OFDR技術(shù)不同布設(shè)工藝下分布光纖裂縫檢測(cè)試驗(yàn)

通過試驗(yàn)探究分布光纖對(duì)于不同布設(shè)工藝、不同角度裂縫下的實(shí)測(cè)應(yīng)變值與裂縫寬度的關(guān)系。試驗(yàn)內(nèi)容包含試驗(yàn)裝置、布設(shè)工藝與裂縫角度對(duì)比組設(shè)置、裂縫加載、數(shù)據(jù)處理與分析等部分。

2.1 裂縫檢測(cè)試驗(yàn)裝置

裂縫測(cè)試裝置有2個(gè)移動(dòng)級(jí)為10 μm的電動(dòng)位移平臺(tái),以及400 mm×150 mm的不銹鋼方形夾具。初始狀態(tài)下,不銹鋼鋼板的兩邊形成無(wú)間隙的平面。在裂縫監(jiān)測(cè)測(cè)試過程中,由電子控制箱控制兩邊鋼板的位移與中間裂縫寬度。測(cè)試中保證螺栓處于摩擦傳力階段,螺栓滑移階段或者分布光纖測(cè)試失效時(shí)終止試驗(yàn)。

電動(dòng)位移臺(tái)由電控平移臺(tái)和控制箱兩部分組成。其中電動(dòng)位移臺(tái)采用中弘機(jī)械MTSE13電控平移臺(tái),控制箱采用MCU系列二軸USB/串口通訊同動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制器,技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 位移臺(tái)技術(shù)指標(biāo)(產(chǎn)品型號(hào):MTSE13)

試驗(yàn)裝置見圖3,夾具使用激光切割刀從中一分為二,布設(shè)光纖時(shí),先用角磨機(jī)對(duì)鋼板進(jìn)行打磨、擦拭,再將鋼板組裝至位移臺(tái)上,調(diào)整好螺絲高度使兩板對(duì)齊無(wú)高度差后黏貼分布光纖,黏貼監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度約16 cm。試驗(yàn)件示意圖4。

圖3 裂縫監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置正視圖

圖4 試驗(yàn)件示意圖(單位:mm)

夾具設(shè)計(jì)尺寸與電動(dòng)位移平臺(tái)匹配。完整的夾具使用12顆鋼材304孔徑M6深7摩擦型螺栓與兩側(cè)電動(dòng)位移平臺(tái)固定。

2.2 試驗(yàn)組別設(shè)置

本次試驗(yàn)主要設(shè)置不同黏貼劑、黏貼寬度、光纖夾角的對(duì)比組。本次測(cè)試分布光纖的種類為0.9 mm緊護(hù)套光纖,膠水品種有快干膠502(氰基丙烯酸酯)、3MDP100結(jié)構(gòu)膠FR(環(huán)氧樹脂膠水)。

首先在指定位置貼上輔助膠帶,再使用帶缺口的陶瓷刮板,刮平多余環(huán)氧樹脂,待其半凝固狀態(tài)時(shí)撕掉輔助膠帶,得到指定厚度與寬度的黏貼帶。

對(duì)比組共設(shè)置7個(gè)試驗(yàn)組,每組夾具上布設(shè)1根光纖,試驗(yàn)組設(shè)置見表2,其中裂縫夾角指光纖方向與裂縫法線方向所成角度。

表2 裂縫監(jiān)測(cè)試驗(yàn)組別設(shè)置

利用控制箱加載兩邊位移臺(tái),裂縫步為0.01 mm每級(jí)位移下分別控制位移,當(dāng)實(shí)際裂縫寬度達(dá)到0.3 mm或者分布光纖拉斷出現(xiàn)異常時(shí)停止試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

不同組別的分布光纖監(jiān)測(cè)在不同角度、不同裂縫步的數(shù)據(jù)匯總圖見圖5。

圖5 0.9 mm分布光纖在不同角度下的測(cè)試數(shù)值

如圖5所示,0.9 mm光纖對(duì)裂縫識(shí)別能力較強(qiáng),在裂縫0.01 mm寬度時(shí)就可以識(shí)別到裂縫的存在,應(yīng)變曲線峰值明顯,可以實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)初期新生裂縫的監(jiān)測(cè)。在裂縫處應(yīng)變達(dá)到2 500×10-6后,可以肉眼觀察到脫膠現(xiàn)象,分布光纖在鋼板裂縫的附近約1 cm范圍進(jìn)入自由拉伸狀態(tài)。

裂縫0°～30°夾角下的光纖應(yīng)變與裂縫寬度的關(guān)系見圖6。

圖6 不同裂縫夾角下0.9 mm分布光纖應(yīng)變峰值

由圖6可知,在光纖識(shí)別出裂縫后,應(yīng)變測(cè)試值與裂縫寬度存在線性關(guān)系,在初始識(shí)別裂縫后,擬合可得到相應(yīng)的斜率系數(shù)K,光纖與裂縫的夾角θ越大,K值越大,可見較大夾角下,光纖對(duì)裂縫寬度敏感性越高。

圖7為用環(huán)氧樹脂膠水黏貼的光纖測(cè)試結(jié)果,與圖6結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可看出FR黏貼的光纖組應(yīng)變滑移區(qū)相較502快干膠組來(lái)說(shuō)變短,應(yīng)變測(cè)試曲線更加平滑,無(wú)明顯的抖動(dòng)現(xiàn)象,0.01 mm時(shí)可以識(shí)別到裂縫的出現(xiàn),綜合來(lái)看高剪切模量的環(huán)氧樹脂膠水FR在分布光纖監(jiān)測(cè)方面的表現(xiàn)優(yōu)于502快干膠。

圖7 環(huán)氧樹脂脫膠圖

不同黏貼寬度的分布光纖在識(shí)別出裂縫后,裂縫寬度與應(yīng)變數(shù)值都有明顯線性段出現(xiàn),對(duì)于7.5 mm黏貼寬度的分布光纖,在最后一級(jí)裂縫步時(shí)應(yīng)變峰值突增、目測(cè)出現(xiàn)脫膠現(xiàn)象環(huán)氧樹脂出現(xiàn)裂痕。應(yīng)變數(shù)值呈現(xiàn)異常增長(zhǎng),脫膠范圍為裂縫附近約2 cm左右。不同環(huán)氧樹脂黏貼寬度下的光纖應(yīng)變峰值見圖8,當(dāng)環(huán)氧樹脂寬度為5,7.5,10 mm時(shí),能識(shí)別到的初始裂縫寬度分別為0.01,0.04,0.1 mm,可見環(huán)氧樹脂膠黏貼寬度越寬,能識(shí)別到的初始裂縫寬度越寬,出現(xiàn)預(yù)警信息越晚;黏貼寬度窄時(shí),光纖識(shí)別更靈敏,但環(huán)氧樹脂容易脫膠,使得光纖在裂縫處為自由拉伸狀態(tài)脫離了基體表面,不利于光纖的保護(hù)與后續(xù)連續(xù)監(jiān)測(cè),因此,對(duì)于復(fù)雜的混凝土環(huán)境,推薦環(huán)氧樹脂布設(shè)寬度不小于10 mm。

圖8 不同環(huán)氧樹脂黏貼寬度下的光纖應(yīng)變峰值

曲線積分長(zhǎng)度Δx的值是積分計(jì)算裂縫寬度與實(shí)際裂縫寬度誤差的重要影響因素,式(4)中使得計(jì)算裂縫寬度值最接近實(shí)際裂縫寬度值Wi時(shí),稱Δx為最優(yōu)曲線積分長(zhǎng)。以FR環(huán)氧樹脂5 mm黏貼組為例,最優(yōu)曲線積分長(zhǎng)度Δx與曲線的應(yīng)變峰值擬合曲線見圖9,由圖9發(fā)現(xiàn),當(dāng)應(yīng)變峰值大于500×10-6時(shí),最優(yōu)曲線積分長(zhǎng)度主要集中在20 mm附近。

圖9 最優(yōu)積分長(zhǎng)度與峰值應(yīng)變擬合曲線圖

取最優(yōu)積分長(zhǎng)度與固定積分長(zhǎng)度20 mm 2種情況下,計(jì)算裂縫寬度與實(shí)際裂縫寬度的對(duì)比,最優(yōu)積分長(zhǎng)度與峰值應(yīng)變擬合曲線圖見圖10。

圖10 最優(yōu)積分長(zhǎng)度與峰值應(yīng)變擬合曲線圖

其中固定積分長(zhǎng)度計(jì)算值與實(shí)際裂縫寬度的方差S12=5.548×10-4mm2,最優(yōu)積分長(zhǎng)度計(jì)算值與實(shí)際裂縫寬度的方差S22=2.000 7×10-5mm2。在簡(jiǎn)化情況下,推薦取固定積分長(zhǎng)度20 mm作為單條裂縫寬度計(jì)算的積分長(zhǎng)度,不同黏貼寬度的計(jì)算寬度與實(shí)際寬度對(duì)比值見圖11。

圖11 不同黏貼寬度的計(jì)算寬度與實(shí)際寬度對(duì)比值

由圖11可知,布設(shè)寬度5 mm的分布光纖積分計(jì)算裂縫寬度與實(shí)際寬度值最符合,說(shuō)明環(huán)氧樹脂黏貼的寬度越窄,應(yīng)變曲線積分得到的裂縫寬度與實(shí)際裂縫寬度值越相近,這是由于隨著中間層產(chǎn)生滑移,測(cè)試裂縫值會(huì)大于實(shí)際裂縫值,隨著黏貼寬度的增大,積分計(jì)算寬度值變小,中間層剪滯現(xiàn)象更明顯,初始識(shí)別裂縫寬度增大。從裂縫寬度計(jì)算的角度來(lái)說(shuō),黏接劑黏接寬度越小,積分計(jì)算裂縫寬度越接近真實(shí)值。

3 結(jié)論

OFDR分布式光纖具有高空間分辨率,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的精準(zhǔn)定位與連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。本文通過試驗(yàn)研究了OFDR在小于0.3 mm寬度裂縫發(fā)展位置及發(fā)展規(guī)律的測(cè)試效果,試驗(yàn)結(jié)果表明:

1) OFDR分布光纖可以監(jiān)測(cè)微小裂縫的出現(xiàn)。0.9 mm緊護(hù)套分布光纖在結(jié)構(gòu)裂縫0.01 mm時(shí)即可進(jìn)行識(shí)別預(yù)警,根據(jù)應(yīng)變曲線波峰的位置可定位到裂縫位置,光纖識(shí)別出裂縫后,應(yīng)變測(cè)試值與裂縫寬度存在線性關(guān)系。

2) 光纖與裂縫的夾角、光纖的布設(shè)工藝對(duì)于裂縫識(shí)別的初始寬度有影響,識(shí)別后峰值應(yīng)變與裂縫寬度間存在線性關(guān)系。對(duì)于實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)工程分布光纖監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō),環(huán)氧樹脂膠水表現(xiàn)比快干膠更好,黏貼帶推薦布設(shè)寬度1 cm、厚度5 mm以內(nèi)。

3) 根據(jù)斜交裂縫寬度計(jì)算公式。給出在測(cè)試空間分辨率1 mm,環(huán)氧樹脂F(xiàn)R布設(shè)寬度5 mm情況下,最優(yōu)積分長(zhǎng)度與應(yīng)變峰值的擬合曲線,發(fā)現(xiàn)當(dāng)分布光纖微應(yīng)變大于500×10-6時(shí),最優(yōu)曲線積分長(zhǎng)度集中在20 mm附近,簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)可取曲線積分長(zhǎng)度20 mm。