CN105403161A - 一种利用光纤传感器检测混凝土结构裂缝宽度的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用光纤传感器检测混凝土结构裂缝宽度的方法，涉及混凝土结构裂缝宽度的计算方法，尤其涉及一种利用光纤传感器检测混凝土结构裂缝宽度的方法。本发明为解决现有的光纤传感器因裂缝处光纤与被测混凝土会产生相对滑移而无法准确的测量裂缝宽度的问题。一种利用光纤传感器检测混凝土结构裂缝宽度的方法按以下步骤进行：一、理论条件下混凝土裂缝宽度计算公式；二、对理论条件下混凝土裂缝宽度计算公式的进一步简化；三、修正后的混凝土裂缝宽度计算公式。采用本发明所述方法提高了混凝土裂缝宽度的计算精度；本发明所述方法应用于建筑施工领域。

Description

一种利用光纤传感器检测混凝土结构裂缝宽度的方法

技术领域

本发明涉及混凝土结构裂缝宽度的检测方法，尤其涉及一种利用光纤传感器检测混凝土结构裂缝宽度的方法。

背景技术

光纤又名光导纤维，是一种主要材料为二氧化硅的玻璃纤维。光波在光纤传播时在其界面处发生全反射，被约束在光纤界面内并延光纤轴线方向传播。当光纤发生应变时会影响光波在光纤中的传播，人们通过检测光波的变化得出光纤的应变信息。根据这个原理，人们发明了光纤传感器。

以前有人提出用光纤传感器在裂缝处峰值的大小来判断裂缝宽度。光纤传感器在结构产生裂缝的位置会出现一个应变峰值，计算得到峰值点处的应变值，以此应变值来表示裂缝的宽度。

但是裂缝处光纤与被测混凝土结构会产生相对滑移，随着混凝土结构受力的增大，混凝土结构裂缝宽度和光纤滑移段的长度也会相应变大，但滑移段长度的增加会使光纤的应变峰值变小，因此无法准确的判断裂缝的宽度。

也有人提出利用光纤变形总量与混凝土结构变形总量的差表示裂缝宽度的概念。但只是阐述了一种计算思想，没有对光纤和混凝土结构在裂缝处的应变进行分析，使裂缝宽度的计算无法实现。

基于BOTDA(布里渊光时域分析)技术的分布式光纤传感器的基本原理是，光在光纤传播过程中会产生布里渊散射，散射光与入射光有一个频差，这个频差叫做这一点处的布里渊频移。光纤中某位置处的布里渊频移与该处的应变呈线性关系，所以通过检测光纤中的布里渊频移可以得到光纤任意一点的应变。

当用分布式光纤对混凝土结构进行应变监测时，一般将混凝土结构表面切割出一条沟槽，将分布式光纤布设在沟槽中，用环氧树脂封装，如图1所示。

当混凝土结构发生应变时会使光纤也产生相应的应变，通过检测光纤的应变就可以得到被测混凝土构件的应变信息。混凝土结构受力较大时会产生裂缝，混凝土结构在裂缝处的理论应变值为无穷大。由于光纤的应变反映被测混凝土结构的应变，所以光纤在裂缝处的应变值会突然变大，产生一个峰值，如图2所示；分布式光纤传感器就是以此来判断裂缝的产生。从图中可以看出光纤的应变值不是无穷大，即光纤没有断开，这是因为裂缝处光纤会与被测混凝土结构脱粘，产生滑移。用这种方法监测到裂缝产生之后，由监测人员根据分布式光纤传感器的定位找到混凝土结构上出现的裂缝，并用裂缝测宽仪测得裂缝的宽度。

发明内容

本发明为解决现有的光纤传感器因裂缝处光纤与被测混凝土结构会产生相对滑移而无法准确的测量裂缝宽度的问题，而提出一种利用光纤传感器检测混凝土结构裂缝宽度的方法。

一种利用光纤传感器检测混凝土结构裂缝宽度的方法，按以下步骤进行：

一、理论条件下混凝土结构裂缝宽度计算公式：

理论条件：

(1)当混凝土结构中出现裂缝时，裂缝两侧的位置就会产生卸载，应变变小；

(2)假设混凝土结构表面产生宽度为w的裂缝，裂缝两侧的应变为0，并向裂缝的两边随着与裂缝的距离变大而逐渐增大，当某点拉应变达到极限拉应变，则此时新的裂缝就会出现；

(3)混凝土结构裂缝宽度为w，光纤滑移段长度为L，假定在混凝土结构裂缝两侧结构的应变呈对称分布，定义距混凝土结构裂缝为x处的应变值为ε(x)；

(4)在混凝土结构裂缝发生处，光纤与混凝土结构脱开产生应变峰值，随着到裂缝距离的增大，光纤的应变在滑移段逐渐减小，直到与混凝土结构完全粘接；

(5)在滑移段长度L范围，光纤的平均应变为且假设光纤与裂缝正交；

在上述条件下，得到如下等式：

$L\×\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}=2{\∫}_{\frac{w}{2}}^{\frac{L}{2}}\mathrm{\ϵ}\left(x\right)dx+w---\left(1\right)$

理论条件下裂缝宽度计算公式：

$w=L\×\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}-2{\∫}_{\frac{w}{2}}^{\frac{L}{2}}\mathrm{\ϵ}\left(x\right)dx---\left(2\right)$

其中，为光纤平均应变，在长度为L的范围内仪器采集n个应变数据点，这n个点的平均值，就是光纤的平均应变光纤应变峰值所在的区域宽度等于光纤滑移段长度L；

二、对理论条件下混凝土结构裂缝宽度计算公式的进一步简化：

简化条件：

(1)混凝土结构的应变ε(x)分为两部分，一部分是离裂缝较远的位置，这一部分的应变值不受裂缝的影响，保持不变，这一部分的应变值取混凝土结构的极限应变值，用ε_c表示；

(2)另一部分是裂缝边缘混凝土结构的应变由0逐渐增大到ε_c的部分，应变在这一段的变化是非线性的，为了计算简便我们假设混凝土结构应变在这一部分的变化是线性的；

(3)混凝土结构裂纹位置两次应变发生变化部分的长度等于混凝土构件保护层的厚度d；

混凝土结构裂缝的宽度可以表示为：

$w=L\×\frac{{\mathrm{\Σ\ϵ}}_i}{n}-\[2\×\frac{1}{2}{\mathrm{d\ϵ}}_c+(L-2d){\mathrm{\ϵ}}_c\],i=1,2,...,n---\left(3\right)$

其中，在长度为L的范围内仪器采集n个应变数据点；

三、修正后的混凝土结构裂缝宽度计算公式：

当荷载较大时，裂缝比较密集，裂缝间距小于L光纤滑移段长度，光纤滑移段在两条裂缝之间相互叠加，将使上述计算方法不准确；另外，当荷载较大时，光纤滑移段内除可见裂缝外，还存在肉眼无法看见的细微裂缝，也将使上述计算方法不准确；

为了排除这些因素的影响，我们可以只取裂缝两侧一段距离内的光纤应变值来计算，在峰值两侧取D/2的长度作为研究对象，求得光纤在长度为D的范围内的变形，与混凝土结构在长度D内的变形做差，得裂缝的宽度；

这样处理的理由是；当荷载较小时，光纤与基体的滑移段长度小于D，取长度为D的范围计算时可以把光纤的应变峰值段全部包括在内；当荷载较大时，取裂缝范围内长度为D的一段计算可以减小微裂缝等因素的影响，所以D可以取被测构件的裂缝间距理论值，

修正后的混凝土结构裂缝宽度表达式可以用如下公式表示：

$w=D\×\frac{{\mathrm{\Σ\ϵ}}_i}{n}-\[2\×\frac{1}{2}{\mathrm{d\ϵ}}_c+(D-2d){\mathrm{\ϵ}}_c\]---\left(4\right)$

其中i＝1、2、…、n，在长度为D的范围内仪器采集n个应变数据点。

本发明包括以下有益效果：

1、本发明所述方法提出一种由分布式光纤传感器监测混凝土结构裂缝宽度的新方法，该方法提高了混凝土结构裂缝宽度的计算精度，实现通过光纤传感器对混凝土结构裂缝的分布式监测；

2、在一些空间狭小，环境恶劣等人员不易到达的地方，使用本发明所述方法可以较方便、快速地计算混凝土结构裂缝宽度，降低人员劳动强度。

附图说明

图1为混凝土结构中开槽布设光纤示意图；

图2为产生裂缝时的光纤应变峰值示意图；

图3为裂缝处混凝土结构内的应变分布示意图；

图4为裂缝处混凝土结构内应变简化图；

图5为两个相邻裂纹光纤滑移段相交时光纤应变峰值示意图；

图6为裂缝两侧有微裂缝时光纤应变峰值示意图；

图7为取裂缝范围内长度为D的一段时光纤应变峰值示意图；

图8为实验中桥面板的俯视图；

图9为实验中桥面板的1-1剖面图；

图10为实验中桥面板的2-2剖面图。

图11为实验中混凝土结构裂缝宽度计算值与实测值对比关系图；

图12为现有技术混凝土结构裂缝宽度计算值与实测值对比关系图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合图2至7和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

具体实施方式一、本实施方式所述的一种利用光纤传感器检测混凝土结构裂缝宽度的方法，按以下步骤进行：

一、理论条件下混凝土结构裂缝宽度计算公式：

理论条件：

(1)当混凝土结构中出现裂缝时，裂缝两侧的位置就会产生卸载，应变变小；

(2)假设混凝土结构表面产生宽度为w的裂缝，裂缝两侧的应变为0，并向裂缝的两边随着与裂缝的距离变大而逐渐增大，当某点拉应变达到极限拉应变，则此时新的裂缝就会出现；

(3)混凝土结构裂缝宽度为w，光纤滑移段长度为L，假定在混凝土结构裂缝两侧结构的应变呈对称分布，定义距混凝土结构裂缝为x处的应变值为ε(x)，如图3所示；

(4)在混凝土结构裂缝发生处，光纤与混凝土结构脱开产生应变峰值，随着到裂缝距离的增大，光纤的应变在滑移段逐渐减小，直到与混凝土结构完全粘接；

(5)在滑移段长度L范围，光纤的平均应变为且假设光纤与裂缝正交；

在上述条件下，得到如下等式：

$L\×\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}=2{\∫}_{\frac{w}{2}}^{\frac{L}{2}}\mathrm{\ϵ}\left(x\right)dx+w---\left(1\right)$

理论条件下裂缝宽度计算公式：

$w=L\×\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}-2{\∫}_{\frac{w}{2}}^{\frac{L}{2}}\mathrm{\ϵ}\left(x\right)dx---\left(2\right)$

其中，为光纤平均应变，在长度为L的范围内仪器可以采集n个应变数据点，这n个点的平均值，就是光纤的平均应变光纤应变峰值所在的区域宽度等于光纤滑移段长度L；

二、对理论条件下混凝土结构裂缝宽度计算公式的进一步简化：

简化条件：

(1)混凝土结构的应变ε(x)分为两部分，一部分是离裂缝较远的位置，这一部分的应变值不受裂缝的影响，保持不变，这一部分的应变值取混凝土结构的极限应变值，用ε_c表示；

(2)另一部分是裂缝边缘混凝土结构的应变由0逐渐增大到ε_c的部分，应变在这一段的变化是非线性的，为了计算简便我们假设混凝土结构应变在这一部分的变化是线性的，如图4所示；

(3)混凝土结构裂纹位置两次应变发生变化部分的长度等于混凝土构件保护层的厚度d；

混凝土结构裂缝的宽度可以表示为：

$w=L\×\frac{{\mathrm{\Σ\ϵ}}_i}{n}-\[2\×\frac{1}{2}{\mathrm{d\ϵ}}_c+(L-2d){\mathrm{\ϵ}}_c\],i=1,2,...,n---\left(3\right)$

其中，在长度为L的范围内仪器采集n个应变数据点；

三、修正后的混凝土结构裂缝宽度计算公式：

当荷载较大时，裂缝比较密集，裂缝间距小于L光纤滑移段长度，光纤滑移段在两条裂缝之间相互叠加，将使上述计算方法不准确，如图5所示；另外，当荷载较大时，光纤滑移段内除可见裂缝外，还存在肉眼无法看见的细微裂缝，也将使上述计算方法不准确，如图6所示；

为了排除这些因素的影响，我们可以只取裂缝两侧一段距离内的光纤应变值来计算，在峰值两侧取D/2的长度作为研究对象，求得光纤在长度为D的范围内的变形，与混凝土结构在长度D内的变形做差，得裂缝的宽度，如图7所示；

这样处理的理由是；当荷载较小时，光纤与基体的滑移段长度小于D，取长度为D的范围计算时可以把光纤的应变峰值段全部包括在内；当荷载较大时，取裂缝范围内长度为D的一段计算可以减小微裂缝等因素的影响，所以D可以取被测构件的裂缝间距理论值，

修正后的混凝土结构裂缝宽度表达式可以用如下公式表示：

$w=D\×\frac{{\mathrm{\Σ\ϵ}}_i}{n}-\[2\×\frac{1}{2}{\mathrm{d\ϵ}}_c+(D-2d){\mathrm{\ϵ}}_c\]---\left(4\right)$

其中i＝1、2、…、n，在长度为D的范围内仪器采集n个应变数据点。

本实施方式包括以下有益效果：

1、本实施方式所述方法提出一种由分布式光纤传感器监测混凝土结构裂缝宽度的新方法，该方法提高了裂缝宽度的计算精度，实现通过光纤传感器对混凝土结构裂缝的分布式监测；

2、在一些空间狭小，环境恶劣等人员不易到达的地方，使用本实施方式所述方法可以较方便、快速地计算混凝土结构裂缝宽度，降低人员劳动强度。

为验证本发明的有益效果，作如下实验：

制作混凝土板模型，具体形状与尺寸见图8至10，尺寸单位为mm，将光纤用开槽布设的方式布设在混凝土桥面板上，布设的方式见图1。对桥面施加荷载，采集光纤的应变信息；将光纤数据代入公式(4)计算得到混凝土板模型的裂缝宽度。

对于此混凝土板模型，裂缝理论计算宽度D约为10cm，混凝土板保护层厚度为35mm，ε_c为220με，此处με为微应变，是个无量纲的量，1应变等于10的6次方微应变。

用本申请提出的方法计算的裂缝宽度与裂缝实测宽度的对比关系如图11所示，图11横坐标是裂缝的计算宽度，即用本文提出的修正后方法计算的裂缝宽度，纵坐标是裂缝的实测宽度，即用裂缝测宽仪测得的裂缝宽度，图11表示的是修正后方法中计算值与实测值得关系；用现有技术提出的方法计算的裂缝宽度与裂缝实测宽度的对比关系如图12所示，图12表示的是应变峰值与测量宽度的关系，从图中可以看出二者的线性关系不明显，两图相比较可以发现本发明提出的方法计算精度高。

Claims (3)

1.一种利用光纤传感器检测混凝土结构裂缝宽度的方法，其特征在于所述方法按以下步骤进行：

一、建立理论条件下混凝土结构裂缝宽度计算公式：

理论条件下裂缝宽度计算公式：

$w=L\×\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}-2{\∫}_{\frac{w}{2}}^{\frac{L}{2}}\mathrm{\ϵ}\left(x\right)dx$

其中，为光纤平均应变，在长度为L的范围内仪器采集n个光纤应变数据点，这n个点的平均值，就是光纤的平均应变光纤应变峰值所在的区域宽度等于光纤滑移段长度L；

二、对理论条件下混凝土结构裂缝宽度计算公式的进一步简化：

理论条件下混凝土结构裂缝的宽度简化表示为：

$w=L\×\frac{{\mathrm{\Σ\ϵ}}_i}{n}-\[2\×\frac{1}{2}{\mathrm{d\ϵ}}_c+(L-2d){\mathrm{\ϵ}}_c\],i=1,2,...,n$

其中，在长度为L的范围内仪器采集n个光纤应变数据点，ε_c为混凝土的极限应变值，d为混凝土结构保护层的厚度；

三、修正后的混凝土结构裂缝宽度计算公式：

当荷载较大时，裂缝比较密集，裂缝间距小于L光纤滑移段长度，光纤滑移段在两条裂缝之间相互叠加，将使上述计算方法不准确；另外，当荷载较大时，光纤滑移段内除可见裂缝外，还存在肉眼无法看见的细微裂缝，也将使上述计算方法不准确；

在峰值两侧取D/2的长度作为研究对象，求得光纤在长度为D的范围内的变形，与混凝土结构在长度D内的变形做差，得裂缝的宽度；

修正后的混凝土结构裂缝宽度表达式可以用如下公式表示：

$w=D\×\frac{{\mathrm{\Σ\ϵ}}_i}{n}-\[2\×\frac{1}{2}{\mathrm{d\ϵ}}_c+(D-2d){\mathrm{\ϵ}}_c\]$

其中i＝1、2、…、n，在长度为D的范围内仪器采集n个光纤应变数据点。

2.如权利要求1所述的一种利用光纤传感器检测混凝土结构裂缝宽度的方法，其特征在于步骤一中所述理论条件下混凝土结构裂缝宽度计算公式的理论条件为：

(1)当混凝土结构中出现裂缝时，裂缝两侧的位置就会产生卸载，应变变小；

(2)假设混凝土结构表面产生宽度为w的裂缝，裂缝两侧的应变为0，并向裂缝的两边随着与裂缝的距离变大而逐渐增大，当某点拉应变达到极限拉应变，则此时新的裂缝就会出现；

(3)混凝土结构裂缝宽度为w，光纤滑移段长度为L，假定在混凝土结构裂缝两侧结构的应变呈对称分布，定义距混凝土结构裂缝为x处的应变值为ε(x)；

(4)在混凝土结构裂缝发生处，光纤与混凝土结构脱开产生应变峰值，随着到裂缝距离的增大，光纤的应变在滑移段逐渐减小，直到与混凝土结构完全粘接；

(5)在滑移段长度L范围，光纤的平均应变为且假设光纤与裂缝正交。

3.如权利要求1所述的一种利用光纤传感器检测混凝土结构裂缝宽度的方法，其特征在于步骤二中所述理论条件下混凝土结构裂缝的宽度简化式的简化条件为：

(1)混凝土结构的应变ε(x)分为两部分，一部分是离裂缝较远的位置，这一部分的应变值不受裂缝的影响，保持不变，这一部分的应变值取混凝土结构的极限应变值，用ε_c表示；

(2)另一部分是裂缝边缘混凝土结构的应变由0逐渐增大到ε_c的部分，应变在这一段的变化是非线性的，为了计算简便我们假设混凝土结构应变在这一部分的变化是线性的；

(3)混凝土结构裂纹位置两次应变发生变化部分的长度等于混凝土构件保护层的厚度d。