CN110672657B - 一种混凝土结构裂缝监测的温度示踪系统和监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混凝土结构裂缝监测的温度示踪系统和监测方法，包括：加热测温集成系统、监测管和套管；所述加热测温集成系统由至少一根加热测温集成线路、解调仪和稳压电源组成；加热测温集成线路中包括温度传感光路和加热电路，加热测温集成线路需穿入一根监测管内。温度传感光路与解调仪连接，稳压电源与加热电路连接。若干根套管设置在监测管的表面，监测管和套管需要预埋在被测混凝土结构内部。本发明的优点是：(1)不会因为局部裂缝过宽或裂缝数过多而导致监测线路中出现监测盲区；(2)监测线路受监测管保护，使传感器的成活率提高；(3)监测线路可从监测管中取出进行修复或更换，避免局部断点导致整条监测线路失效。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土结构裂缝监测技术领域，特别涉及一种用于混凝土结构裂缝监测的温度示踪系统和监测方法。
背景技术
在土木水利工程中，混凝土是应用最为广泛的材料。作为力学间断面的裂缝，常显著地改变构件内的应力场，破坏工程结构的整体性，严重降低结构的承载能力，并加速老化；对于钢筋混凝土结构，裂缝还可能导致钢筋锈蚀，并加剧裂缝的发展。裂缝是混凝土工程建设中最令人关注的、首要的问题，防缝是混凝土工程的基本要求[1]。准确、及时地监测裂缝的发生发展过程，对保障工程安全、防止事故具有重要意义。
早期利用超声波、X光、电磁波等手段进行的裂缝检测方法，由于需要预先知道裂缝的大概位置，对检测部位的操作空间有一定要求，且主要靠人工操作仪器进行检测，自动化程度和效率低，因此在实际工程应用中具有一定的局限性，不适于开裂部位未知、检测范围广的工程。目前，工程中常用的裂缝监测仪器主要为电阻式或振弦式裂缝计，其属于点式传感器，由于混凝土开裂部位的随机性，常常漏测。基于瑞利散射的分布式光纤裂缝检测技术能实现空间连续监测，自上世纪90年代提出以来得到了大力研究并付诸应用[1-5]。其传感机理基于光纤-混凝土复合体的力-光耦合作用——裂缝引起光纤弯曲而生成局部高损耗。该传感技术的分辨率和量程主要取决于光纤结构型式，如：采用裸光纤能获得较高的分辨率，但测量范围较小；而采用带有护套的光纤则相反。因此，采用一种普通光纤几乎无法同时满足裂缝监测的分辨率和量程的双重需求。采用不同结构型式的光纤构成的光纤传感网络施测是一种有效解决方案，随着光纤技术的发展，很多新型材料用于光纤的制备，碳涂敷光纤[6]、塑料光纤[7-8]等特种光纤在裂缝监测领域也得到研究，取得了不错的效果。
参考文献：
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现有技术一的技术方案
基于瑞利散射的分布式光纤裂缝检测技术是一种集传感于传输于一体、单端发射单端接收的光强型传感技术，其监测仪器主要为光时域反射仪(OBTR)，检测信号(信息载体)是光波导中的瑞利散射(Rayleigh scattering)。瑞利散射是光纤三种本征散射中最主要的一种，它是由光波导的SiO2材料在拉制过程中形成的分子级微观尺度上的不均匀性所引发，其后向散射光功率遵循以下方程：
式中：p(x)为后向光功率；x为光程；V为光波导群速；S(x)为后向散射光捕获比；αs(x)为光纤散射系数；αf(x)、αb(x)分别为前向和后向衰减系数。当散射系数αs和捕获比S为常数时，OTDR能测定衰减系数的沿程变化。对于均匀光纤构成的光路，αf＝αb，且αs和S均为常量。在这种情况下，光强衰减为一指数函数。若光纤产生弯曲，当曲率半径较小时，在弯曲处将产生局部高损耗，表现为一跌落台阶，损耗的量值与光纤的曲率半径分布有关。根据光脉冲发射与接收之间的时间差Δt，按光学雷达原理确定高损耗产生的位置。
基于这种强度调制型传感机理构建分布式裂缝传感技术的关键，在于如何使混凝土开裂引发光纤的局部高损耗。如图1，将传感光纤布置成与预期混凝土裂缝斜交，当开裂时，产生两处局部弯曲,导致后向散射光的衰减。这种新型转换机制的特点在于：由混凝土的力学效应——裂缝，直接生成光纤弯曲，并调制光信号，引起局部弯曲损耗，由此构成“裂缝-弯曲-损耗”的单值对应传感光路。
现有技术一的缺点
(1)当同一条监测光路上出现多条裂缝或其他因素导致损耗过大时，极有可能导致该监测光路覆盖的某个监测区段成为监测盲区；
(2)为了保证监测的灵敏度，这种监测技术只能采用无铠装的光纤，机械强度低，在粗放型工程施工中很难保证其成活率，因此对其安装埋设工艺具有较高要求；
(3)计算裂缝宽度需要已知裂缝与光纤的夹角，由于裂缝的开展具有不确定性，且裂缝面不是一个平面，因此，很难准确判断裂缝与光纤的夹角，导致裂缝宽度的计算结果可靠性不高。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种混凝土结构裂缝监测的温度示踪系统和监测方法，解决了现有技术中存在的缺陷。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种混凝土结构裂缝监测的温度示踪系统，包括：加热测温集成系统、监测管和套管；
所述加热测温集成系统具有加热和温度监测两种功能，由至少一根加热测温集成线路、解调仪和稳压电源组成；
加热测温集成线路中包括至少一路温度传感光路和一路加热电路，加热测温集成线路需穿入一根监测管内。
温度传感光路与解调仪连接，稳压电源与加热电路连接。
监测管具有强度和柔韧性，对加热测温集成线路起到保护作用，其内径需比加热测温集成线路略大，以确保加热测温集成线路能在监测管内自由拖动；监测管内宜灌满绝缘液体，以改善集成线路与周围介质间的传热性能。
若干根套管设置在监测管的表面，套管彼此具有间距，监测管和套管需要预埋在被测混凝土结构内部。
套管采用多孔吸水材料，套管的内径需比监测管外径略大，方便安装。
进一步地，所述温度传感光路采用基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统或多点串联的光纤布拉格光栅准分布式传感系统。
进一步地，所述加热电路采用全线加热的电阻丝或将加热元件多点串联实施分散加热。
进一步地，监测管采用耐热聚乙烯管或聚四氟乙烯管。
进一步地，套管材料为微孔陶瓷或石膏。
进一步地，为了避免漏测，在一根以上加热测温集成线路情况下，套管采用交错布置方式，即每一根监测管之间的套管彼此交错，使之覆盖整条监测线路。
本发明还公开了一种混凝土结构裂缝监测的温度示踪系统的监测方法，包括：
首先取得结构未开裂状态下的基准值，在工程运行前，采用该系统测得各部位加热升温后的降温时程曲线，获得各部位升温后的降温速度指标基准值。工程运行期监测前，需使被测部位被水充分浸湿。对于水工混凝土结构，由于上游面蓄水，若上游坝面开裂，库水可自动沿裂缝面渗入与开裂部位临近的套管2内，使套管2含水率发生变化；对于其他不与水发生长期接触的工程，利用降雨或人工洒水使被测部位被水浸湿。被测部位被水充分浸湿后，根据监测线路的长度将稳压电源5调整到合适的电压，接通加热电路实施加热；根据解调仪4读数确定温度，当温度上升至所需温度时，关闭稳压电源5，停止加热，开始采集各测点的降温时程数据；当温度基本稳定后，停止数据采集。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)该监测技术为分布式或移动分布式监测，覆盖面广，不会因为局部裂缝过宽或裂缝数过多而导致监测线路中出现监测盲区；
(2)监测线路受监测管保护，使传感器的成活率提高；
(3)监测线路可从监测管中取出进行修复或更换，避免局部断点导致整条监测线路失效，满足长期监测需求。
附图说明
图1是基于瑞利散射的分布式光纤裂缝检测原理图；
图2本发明裂缝监测的温度示踪系统结构示意图；
图3本发明套管交错布置方式示意图；
图4本发明实施例ln(λ-λθ)时程曲线的对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图2所示，一种利用温度变化规律来识别裂缝位置的监测系统，该系统由加热测温集成系统、监测管1、套管2组成，
其中：加热测温集成系统具有加热和温度监测两种功能，由加热测温集成线路3、解调仪4和稳压电源5组成；
加热测温集成线路3中包含至少一路温度传感光路和一路加热电路，温度传感可采用基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统或多点串联的光纤布拉格光栅准分布式传感系统；加热电路可采用全线加热的电阻丝或将加热元件多点串联实施分散加热。
监测管1需具有较高的强度和柔韧性，能对加热测温集成线路3起到保护作用，其内径需比加热测温集成线路3略大，以确保集成线路能在监测管1内自由拖动，管内宜灌满绝缘液体，如：纯净水，以改善集成线路与周围介质间的传热性能，监测管1可采用耐热聚乙烯(PE-RT)管或聚四氟乙烯(PTFE)管。
套管2采用多孔吸水材料，如：微孔陶瓷、石膏等；套管2的内径需比监测管1外径略大，方便安装，其外部形状和尺寸根据工程需要确定，以不影响被测结构的力学性能为原则；套管2的长度根据空间分辨率需求确定。
监测管1和套管2需要预埋在被测混凝土结构内部，为了避免漏测，在实际工程中套管2可采用交错布置方式，如图3所示。
采用该监测系统进行裂缝监测应首先取得结构未开裂状态下的基准值，即：在工程运行前，采用该系统测得各部位加热升温后的降温时程曲线，获得各部位升温后的降温速度基准值。工程运行期监测前，需设法使被测部位被水充分浸湿。对于水工混凝土结构等挡水构筑物(如：混凝土重力坝、面板堆石坝、拱坝)，由于上游面蓄水，若上游坝面开裂，库水可自动沿裂缝面渗入与开裂部位临近的套管2内，使套管2含水率发生变化；对于其他不与水发生长期接触的工程，可利用降雨或人工洒水使被测部位被水浸湿。被测部位被水充分浸湿后，根据监测线路的长度将稳压电源5调整到合适的电压，接通导线实施加热；当温度上升至所需温度时(可根据解调仪4读数确定)，关闭稳压电源5，停止加热，开始采集各测点的降温时程数据；当温度基本稳定后，停止数据采集。
监测原理如下：
根据传热学理论，单位时间从高温物体向低温物体传递的热量可按下式表示：
q(t)＝λ·ζ(t).A (2)
式中：q(t)为t时刻单位时间的传导热量；λ为材料的热传导系数；ζ(t)为t时刻的温度梯度；A为传导面面积。
从式(2)可以看出：传热速度与材料的热传导系数成正比，当传热面积和温度梯度一定时，传热速度随材料热传导系数的增大而变快。
另外，单位体积的某物体，升温或降温过程中，从外界吸收或释放的热量可表示为：
dQ＝ρ·c·dT (3)
式中：Q为热量；ρ和c分别为物体的密度和比热；T为温度。
从式(3)可以看出：物体的密度和比热的乘积越大，单位体积该物体升高或降低单位温度所需吸收或释放的热量越多。
混凝土开裂后，当开裂部位与水接触时，水可沿裂缝面渗入套管2，使套管2的含水率发生改变，而套管2的密度、比热、热传导系数均与其含水率有关，含水率越大，这三个热力学参数越大。根据上述对式(2)和式(3)的分析，套管2的密度、比热、热传导系数增大均可导致监测管1中的热源降温速度加快，因此，根据监测管1中测点升温后的降温时程曲线可确定降温速度指标，从而进行开裂部位的识别。
实施例1：
为了验证本专利研发的裂缝监测系统的有效性，制作了1个混凝土试件，试件尺寸为150mm*150mm*550mm。试件中预埋了1根外径19.05mm，内径15.88mm的PTFE管，PTFE管外套了1根内径20mm，外径40mm，长100mm的微孔陶瓷管(微孔尺寸70μm)。采用图2所示监测系统进行了测试，其中：温度测量采用光纤布拉格光栅(FBG)温度传感系统，加热元件采用外径12mm，内径8mm，长12mm的陶瓷加热管，FBG温度传感器与陶瓷加热管通过导热胶集成于一体。试件浇筑成型养护28d后，进行2个工况的加热及降温测试。测试步骤如下：1)在未开裂未浸水的条件下，进行加热及降温测试，获得试件未开裂未浸水状态下的ln(λ-λθ)时程曲线，λ和λθ分别为测点任意时刻的波长及加热前的波长；2)通过三点弯曲试验使该试件在跨中产生裂缝，裂缝深度延伸至监测管1，然后将开裂后的试件放在水中浸泡48h后进行加热及降温测试，获得试件在开裂状态下浸水的ln(λ-λθ)时程曲线。两种状态下的ln(λ-λθ)时程曲线的对比见图4所示，可以看出：开裂状态由于套管2中渗入了水，测点降温速度明显比未开裂状态快，根据该异常现象即可进行裂缝的识别。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种混凝土结构裂缝监测的温度示踪系统，其特征在于，包括：加热测温集成系统、监测管和套管；
所述加热测温集成系统具有加热和温度监测两种功能，由至少一根加热测温集成线路、解调仪和稳压电源组成；
加热测温集成线路中包括至少一路温度传感光路和一路加热电路，一根加热测温集成线路穿入一根监测管内；
温度传感光路与解调仪连接，稳压电源与加热电路连接；
监测管具有强度和柔韧性，对加热测温集成线路起到保护作用，其内径需比加热测温集成线路略大，以确保加热测温集成线路能在监测管内自由拖动；监测管内宜灌满绝缘液体，以改善集成线路与周围介质间的传热性能；
若干根套管设置在监测管的表面，套管彼此具有间距，监测管和套管需要预埋在被测混凝土结构内部；
套管采用多孔吸水材料，套管的内径需比监测管外径略大，方便安装。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土结构裂缝监测的温度示踪系统，其特征在于：所述温度传感光路采用基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统或多点串联的光纤布拉格光栅准分布式传感系统。
3.根据权利要求1所述的一种混凝土结构裂缝监测的温度示踪系统，其特征在于：所述加热电路采用全线加热的电阻丝或将加热元件多点串联实施分散加热。
4.根据权利要求1所述的一种混凝土结构裂缝监测的温度示踪系统，其特征在于：监测管采用耐热聚乙烯管或聚四氟乙烯管。
5.根据权利要求1所述的一种混凝土结构裂缝监测的温度示踪系统，其特征在于：套管材料为微孔陶瓷或石膏。
6.根据权利要求1所述的一种混凝土结构裂缝监测的温度示踪系统，其特征在于：为了避免漏测，在一根以上加热测温集成线路情况下，套管采用交错布置方式，即每一根监测管之间的套管彼此交错，使之覆盖整条监测线路。
7.根据权利要求1所述的一种混凝土结构裂缝监测的温度示踪系统的监测方法，其特征在于，包括：首先取得结构未开裂状态下的基准值，在工程运行前，采用该系统测得各部位加热升温后的降温时程曲线，获得各部位升温后的降温速度指标基准值；工程运行期监测前，需使被测部位被水充分浸湿；对于水工混凝土结构，由于上游面蓄水，若上游坝面开裂，库水可自动沿裂缝面渗入与开裂部位临近的套管内，使套管含水率发生变化；对于其他不与水发生长期接触的工程，利用降雨或人工洒水使被测部位被水浸湿；被测部位被水充分浸湿后，根据监测线路的长度将稳压电源调整到合适的电压，接通加热电路实施加热；根据解调仪读数确定温度，当温度上升至所需温度时，关闭稳压电源，停止加热，开始采集各测点的降温时程数据；当温度基本稳定后，停止数据采集。
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