（材料学专业论文）基于光纤传感网络的混凝土裂缝检测技术研究.pdf

摘要 摘要 裂缝是混凝土结构内部损伤的集中表现，它的产生和扩展直接破坏了结构 的完整性，从而引起应力状态的急剧恶化，甚至造成混凝土结构的断裂或垮塌。 因此，必须采用相应的监测手段，及时检测裂缝的产生和扩展情况，以避免大 型混凝土结构断裂或垮塌等灾难性事故发生，确保其长期安全可靠运行。本文 针对钢筋混凝土结构裂缝监测的需求，依据光纤微弯损耗原理和o t d r 光时域反 射技术原理，研究开发了一种基于光纤传感的钢筋混凝土裂缝监测技术，为混 凝土裂缝的实时、在线、分布式监测提供了一种实用有效的崭新技术手段。本 文的主要研究成果如下： ( 1 ) 通过对混凝土裂缝形成机理和裂纹产生与扩展过程的分析，详尽研究了 混凝土裂缝的分布特性和分布规律，并据此提出了对裂缝监测的基本要求，为 混凝土裂缝监测技术方案设计奠定了基础。 ( 2 ) 通过对光纤传输特性、光纤微弯损耗及其分布式传感原理的分析，提出 了基于光纤微弯原理的裂缝监测系统的设计思想和完整的系统设计方案，构建 了裂缝监测系统模拟试验平台，为基于光纤传感的裂缝监测试验研究提供了理 论和技术保障。 ( 3 ) 通过对基于斜交光纤传感网络的裂缝监测原理分析和布设技术研究，提 出了基于斜交光纤传感网络的裂缝监测技术方法，并得出光纤与裂缝走向之间 的斜交夹角等于6 0 。时为最佳传感网络布设方案。该技术方法具有工艺简单、 成本低廉、易于实施、能够实现分布测量的优点，但测量精度仅为0 1 m m ，且 斜交夹角难以控制。只适用于裂纹走向和发展能够提前预知的混凝土结构裂缝 监测。 ( 4 ) 通过对基于微弯增敏光纤传感头的裂缝监测原理分析和布设技术研究， 提出了基于微弯增敏光纤传感头的裂缝监测技术方法，并建立了增敏光纤传感 网络的光损耗与裂缝宽度之间的定量关系式，设计制作了微弯增敏光纤传感头。 该技术方法可以在未知裂缝走向的情况下对混凝土裂缝实施准确定位和高精度 测量，其测试精度达到o 0 5 m m ，完全适用于混凝土裂缝的高精度和分布式监测， 可在混凝土桥梁、大坝、隧道等裂缝监测中广泛推广应用。 关键词：裂缝监测；分布式光纤传感网络；微弯增敏光纤传感头；光损耗 a b s t r a c t a b s t r a c t c r a c ki st h ef i r s ti n d i c a t i o no ft h ec o n f f l e t es t r u c t u r ed a m a g i n g t h ei n t e g r a l i t yo f s t r u c t u r ei sd e s t r o y e db yc r a c k ，se x p a n d i n ga n dp r o d u c i n g a c c o r d i n g l y t h es t r e s s o fs t r u c t u r ei ss h a r p l yr e d u c e da n di tm a k e st h ec o n c r e t es t r u c t u r er u p t u r eo r b r e a k d o w n ，s or e l e v a n tm e a s u r e m e n tw a ym u s tb eu s e dt om o n i t o rc r a c ki no r d e rt o a v o i ds o m ec a l a m i t i e so fg r e a tc o n c r e t es t r u c t u r ea n dk c e pi tw o r ks a f e l y i nt h i s p a p e r ，am o n i t o r i n gw a yb a s e do nf i b e ro p t i c a ln e ti ss t u d i e d , w h i c hc a l lm o n i t o r c r a c ko fr e i n f o r c e dc o n c r e t e i ts u p p l i e san e wd i s t r i b u t e dm e t h o dt h a tc a nm o n i t o r c o n c r e t ec r a c k t i m e l y f r u i t so nf o u ra s p e c t sh a v e b e e ng a i n e di nt h er e s e a r c hw o r k ： t h ed i s t r i b u t e dc h a r a c t e r i s t i ca n do r d e r l i n e s so fc o n c r e t ec r a c ki ss t u d i e dt h r o u g h t h ea n a l y s i so fc o n c r e t ec r a c km e c h a n i s ma n dp r o c e s so fc r a c kp r o d u c i n ga n d e x p a n d i n g , a n dt h ep r i n c i p a lr e q u e s to fc o n c r e t ec r a c km o n i t o r i n gi sp u tf o r w a r d w h i c he s t a b l i s ht h er e s u l tf o rs c h e m eo fc o n c r e t ec r a c km o n i t o r i n d t h ec r a c km o n i t o r i n gs c h e m eb a s e do nm i c r ob e n d i n gi ss t u d i e dt h r o u g ha n a l y s i s o ff i b e rt r a n s m i t t i n gc h a r a c t e r i s t i c 、l o s so ff i b e rm i c r ob e n d i n ga n dt h e o r yo f d i s t r i b u t e df i b e r 翻：n s e t h ee x p e r i m e n te q u i m e n to fm o n i t o r i n gs y s t e mi ss e tu p w h i c hs u p p l yt r u s t yt e c h n o l o g yo ft h es t u d ya b o u tc o n c r e t ec r a c km o n i t o r i n gb a s e d o n f i b e r ， t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ew i d t ho fc o n c r e t ec r a c ka n do p t i c a ll o s si nt h ed i f f e r e n t a n g l e sw h i c ha g ef o r m e db yt h ec r a c ka n df i b e rn e th a v e b e e ns t u d i e d t h e e x p e r i m e n tb e t w e e nt h ew i d t ho fc r a c ka n do p t i c a lf i b e ri nt h ed i f f e r e n ta n g l e sh a v e b e e nd o n e ，a n dt h ec o n c l u s i o n sg a i n e da g et h a tt h eb e s ta n g l eb e t w e e nt h ew i d t ho f c r a c ka n do p t i c a lf i b e ri s6 0 。t h i sm e t h o dh a sm o r ee x c e l l e n c es u c ha ss i m p l e t e c h n i q u e s 、c h e a pc o s t 、i m p l e m e n te a s i l ya n db e i n gd i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n t b u t t h i sm e t h o dc a no n l ym e a s u r e0 1 m mw i d t ho fc r a c ka n da n g l e sb e t w e e nt h ef i b e ra n d c r a c ka r e h a r d l yc o n t r o l l e d i t 伽o n l yb eu s e df o rt h es t r u c t u r et h a tt h ea n g i e sc a nb e k n o w nb e f o r e t h et h e o r yo fs e n s i t i v es e n s o rh e a db a s e do nm i c r ob e n d i n go ff i b e rf o r a b s t r a c t m o n i t o r i n gc o n c r e t ec r a c ki ss t u d i e d , a n dan e wm e t h o df o rm o n i t o r i n gc r a c ki sp u t f o r w a r df i r s t l y t h et h e o r e t i cf o r m u l ai sd e d u c e df r o mt h es e n s o rh e a dd e s i g n e d t h i s s e n s o rc a nd e t e c tc r a c kw i d t ht h r o u g ho n ed i m e n s i o nd r a w i n gb e t w e e nt h ew i d t ho f c r a c ka n do p t i c a ll o s sw h e nt h e i ra n g l e sh a v en o tb e e nk n o w n t h ed a t ag a i n e df r o m t h ee x p e r i m e n to nc o n c r e t ec a nf i tw e l l c o m p a r e dw i t h t h et h e o r ya n dt h e s e m i e x p e r i e n c ef o r m u l ah a sb e e ns e tu p t h el e a s tc r a c kw i d t ho fm o n i t o r i n gi s 0 0 5 m ma b o u tt h es e n s i t i v es e n s o rh e a d t h et e c h n o l o g ya v o i d st h ed i f f i c u l tp r o b l e m a b o u ta n g l e so fi n c l i n e df i b e rn e ti np r a c t i c a ，a n de s t a b l i s h e st h ef o u n d a t i o nt h a tf i b e r s e n s o r sm o n i t o rc r a c kw i d t ho fg r e a ts t r u c t u r ea l s o ，a tt h es a m et i m ei tp r o m o t e st h e a p p l i c a t i o no ff i b e rs e n s o r si np r a c t i c a le n g i n e e r i n gs u c ha sc o n c r e t eb r i d g e ，g r e a t d a m ，t u r m de t c k e yw o r d s ：c r a c kd e t e c t i o n ；d i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rn e t ；m i c r ob e n d i n gs e n s i t i v e h e a d ；0 p t i c a ll o s s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 签名：组日期：雹生! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：羞笙生导师签 日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 裂缝是混凝土构件使用过程中最令人关注的、首要的质量问题，防缝 是混凝土施工的基本要求。混凝土裂缝( 包括贯穿缝、深缝、0 2 0 3 m m 以 上的裂缝1 的发展很可能会破坏结构的整体性，形成结构内部的力学间断 面，使承载能力大为降低，直接危害结构的稳定，进而导致结构失效甚至 发生坍塌。 近年来，各种混凝土结构( 如桥梁、渡槽、隧道、高层建筑、水坝、 核电站、电视塔、海洋采油平台等) 垮塌破坏事故屡有发生，例如：2 0 0 4 年9 月8 日成温公路三渡水大桥垮塌，2 0 0 4 年6 月1 0 日辽宁盘锦田庄台 大桥垮塌，2 0 0 4 年5 月2 3 日法国戴高乐机场候机大厅垮塌，2 0 0 3 年8 月 2 8 日印度达曼大桥垮塌，19 95 年6 月29 日韩国首都汉城市内三丰百 货大厦倒塌。这些建筑物垮塌造成无法估量的经济损失和人民生命财产损 失，其社会影响特别巨大。因此，世界各国均十分关注各种混凝土结构的 安全问题，并拨巨资开展混凝土结构安全监测技术的研究，以实现混凝土 结构及其关键部位的长期、实时、在线监测，以便及时发现结构的损伤，预测 预报结构的健康状况，使人们能够及时采取有效措施和手段来确保结构的安全 性和可靠性，避免突发性重大事故发生。 在混凝土结构安全监测系统当中，裂缝监测是其重要的监测内容。按 照近代力学的观点，裂缝是混凝土结构内部损伤达到危险程度的集中表 现，是预示和征兆工程险情最直接的关键参量。但是，由于混凝土裂缝产 生的随机性和不确定性，混凝土裂缝监测一直是困扰学术界和工程界的一 大技术难题。 目前，针对混凝土裂缝检测的方法很多，例如，直接观察法、敲击回 波法、声发射探伤法及红外热成像法，或采用埋设仪器( 卡尔逊式、弦式 测缝计1 方法等等，但这些方法均属于单点测量或人工检测法，在裂缝信 第一章绪论 息采集上具有相当的局限性，难以实现及时、实时、全面的裂缝监测，极 易导致险情或重要先兆信息的漏检。所以，研究开发能够实时、在线、全 面的裂缝监测技术，快速准确地检测裂缝成为当前大型基础工程健康监测 的关键问题。 实现裂缝监测的关键在于采用性能优异、功能可靠的传感测试技术。 近年来，在高科技的渗透和支持下，常规传感技术正在酝酿更新换代。在 世界各国竞相发展的先进传感技术中，光纤传感测试技术以其独特优势而 处于中心地位。由于光纤传感技术将光波导技术与光纤技术集成为一体，具 有“传”、“感”合一的特点，以光作为传感和传导媒体的最大优势是传输容量 大、抗电磁干扰强、以及作为光波载体的光纤所具有的化学惰性和柔顺性，这 就决定了光纤传感技术在智能材料结构、大型结构安全监测、高电压、强磁场 等应用方面，具有很强的竞争力。光纤传感器的主要优点是抗电磁干扰能力强， 动态响应快、灵敏度高和测试精度高，易于组网形成传感网络和分布式测量。 因而，光纤传感测试技术被国际上公认为是最理想的传感测试技术。 正是由于光纤传感网络可同时作为传感元件和传输媒质并实现多点或分布 式测量，为混凝土裂缝的长期实时监测提供了一条新途径。本文针对钢筋混凝 土结构裂缝监测的需求，依据光纤瑞利散射原理和o t d r 光时域反射技 术，将研究开发种基于光纤传感的钢筋混凝土裂缝监铡技术，以期为钢 筋混凝土结构的裂缝监测提供一种实用有效的崭新技术。 1 2 国内外裂缝监测技术发展现状 1 2 1传统裂缝检测技术发展状况 传统裂缝检铡技术很多，主要有：直接观察法、敲击回波法、超声无 损检测法、微波无损检测技术、红外热成像法，或采用埋设仪器( 卡尔逊 式、弦式测缝计) 的方法等，这些方法都属于单点测量，不能实时监测。 这样它在信息采集有楣当的局限性，尤其是在涵盖全结构的局限性一一即 收集信息在时间、空间上的不连续，这会导致险情或重要先兆信息的漏检。 直接观察法就是通过人为观察建筑物结构，由人的主观能力或辅助以 工具来对建筑物的健康作出评价，此种方法只能作为建筑物的粗略估计。 第一章绪论 超声波1 3 l 是超声振动在各种介质中的传播，它的实质是以波动形式在 弹性介质中传播的机械振动，一般其振动频率在2 0k h z 以上。超声检测常用 的工作频率在0 4m h z 一5m h z ，较低频率用于粗晶材料和衰减较大材料的 检测，较高频率用于细晶材料和高灵敏度检测。对于某些特殊要求的检测， 工作频率可达1 0m h z 5 0m h z 。近年来随着宽频窄脉冲技术的研究和应用， 超声探头的工作频率，有的已高达1 0 0 m h z 。鉴于当前智能检测裂缝的先进 技术还处于摸索阶段，因此人工超声波检测还是主要的检测技术。 其优点如下： ( 1 ) 超声波的指向性比较好，其频率越高，指向性越好。 ( 2 ) 超声波传播能量大，对各种材料的穿透力较强。超声波的声速、衰减、 阻抗和散射等特性，为超声波的应用提供了丰富的信息。 ( 3 ) 超声检测具有适应性强、检测灵敏度高、对人体无害、设备轻巧、成 本低廉，可即时得到探伤结果，适合在试验室及野外等各种环境下工作。 微波无损检测技术【4 l 是将在3 3 0 m h z 33 0 0 g h z 中某段频率的电磁波 照射到被测物体上，通过分析反射波和透射波的振幅和相位的变化，波的 模式的变化及对散射波的分析，从而了解被测样品中的裂纹、裂缝、气孔 等缺陷的技术。 回弹法嘲是用回弹仪弹击混凝土表面，有仪器重锤回弹能量的变化， 反映混凝土的弹性和塑性性质，测量混凝土的表面硬度来推算抗压强度， 是混凝土结构现场检测中常用的一种非破损试验方法。回弹法的主要优点 是：仪器构造简单，方法易于掌握，检测效率高，费用低廉，影响因素少： 不足点为：回弹值受碳化深度、测试角度及石子类型等因素的影响。 超声脉冲法【6 】通过超声波再混凝土中的传播产生反射、折射和散射现 象，导致较大的衰减，用超声脉冲法检测混凝土裂缝是通过测试超声波在 混凝土中的传播参数，找出混凝土裂缝分布与这些参数的关系，确定其裂 缝分布。 超声回弹综合法是建立在超声传播速度和回弹值与混凝土抗压强度 之间相互关系上，以声速和回弹值来综合反映混凝内部性能的一种检测方 法。这种方法在一定程度上克服了一些缺点，但是还是受混凝土骨料、水 灰比等的影响。 传统检测技术虽然都能实现裂缝的检测，但是其检测是点式检测，然 第一章绪论 后用统计方法分析整个结构的情况，这样很可能出现漏检的可能，并且不 能实现在线监测，只能人工现场检测，不宜于智能化的发展。 1 2 2 基于光纤传感的裂缝监j 9 1 i i 技术发展现状 美国开始光纤传感器的研究最早( 大约是1 9 7 7 年) ，投资最大，主要集 中在光纤传感器系统( f o s s ) ；现代数字光纤控制系统( a d o s s ) ；光纤陀螺 ( f o g ) ；核辐射监控( n r m ) ；飞机发动机监控( a e m ) 等计划。1 9 8 9 年美国 布朗大学( b r o w nu n i v e r s i t y ) 的门德斯( m c n d c z ) 等【。7 1 人首先提出将光纤传感 器用于钢筋混凝土结构和建筑检测。此后，美、英、德、日等国对该方面 作了大量的研究工作，推动了该项技术在土木、水利工程中的应用，同时， 也为一些新型光纤仪器的实际使用提供了成熟的商业环境。 到目前为止，光纤传感器已用于许多工程实践，典型的工程有加拿大 c a l g a r y 建设的一座名为b e d d i n g t o nt r a i l l 8 l 的双跨度公路桥内部应变状态 监测；美国w i n o o s k i 的一座水电大坝的振动监测；美国佛蒙大学1 9 1 1 9 9 2 年将分布式光纤应力应变传感器安装在咸努斯基河水电站内，以实时监测 大坝混凝土结构的健康状况，该传感器可实时报告大坝遭受洪水和巨大振 动后的情况，报告5 0 年内水坝的安全性。m a s r i 等【9 - 1 0 j 人在大型十字型混 凝土柱试验中非本征f p 干涉应变计阵列的应用；微弯技术己被用于测量 后张拉钢筋中的张力，将光纤缠旋在后张拉绳上，当绳子处于拉力下，微 弯光纤与绳子阻止光在光纤中传送，而当拉力被释放，光通过光纤张弛状 态就能被探测到。这样的传感器已经安置在巴黎的地铁中和m a r i e n f e l d 人 行桥中。 在结构损伤监测和损伤评估方面【“1 ，柏林结构养护及现代化研究机构 ( i e m r ) 将裸光纤粘接在构件上对郊外铁路钢桥进行监测，测得其横向大梁 裂缝由0 0 1m m 的开展过程；加拿大多伦多大学【1 2 l 提出基于光纤折断原理 的损伤定位系统，当材料中某一区域损伤时，通过这一区域的光纤输出功 率为零，由此可判断损伤位置，该方法利用器件太多，不适于大范围测量； 美国佛罗里达技术学院1 1 3 l 提出了神经网络损伤评估法，不仅可定位，还可 以确定损伤程度，它可处理大范围的传感信号，构造出材料的应变分布与 传感器的有限输出信号之间的关系。 第一章绪论 在弯曲、挠度和位移检测方面【1 1 l ，w o l f f 和m i e s s e l e r 等人把多模光纤 埋入桥面板与桥墩之间的弹性轴承装备内来测量混凝土桥的荷载作用情 况，由光纤微弯损失引起的光损耗来确定载荷值的大小。另外，使用光纤 应变可以确定挠度，将同样长度的两根光纤分别放置在构件上、下两个表 面，当粱发生弯曲时，一根光纤将纵向伸展，另一根光纤将被压缩，两根光 纤中不同应变引起光路长度差，这个长度导致输出光束的干涉，从干涉条 纹的移动就可计算构件的挠度i l ”。 在应力、应变检测方面【1 4 】也较深入。目前已有干涉型、光栅型和强度 型三种传感方式。美国联合技术研究中心研制了双芯光纤应变器，由两根 匹配、互相靠近的单模光芯组成，当相干光注入其中一根芯时，会激励出 不同速率的对称、反对称模。这两种模沿光纤的长度显示出同期光扰，导 致光从一根芯到另一根芯的耦合。e s c o d e r 等在混凝土梁的三点弯曲试验 中，将单模光纤传感器贴于梁表面和埋入梁内，使用干涉技术测量其应变， 所得结果显示，在不改变正常浇筑情况下，将光纤埋入混凝土构件的可行 性：h a b e l 和h o f m a n n 使用f p 型光纤传感器，在混凝土桥梁和墙体中测 试动力和静力应变，分别达到了0 0 2 4 u e ( 德) 和0 1 弘c ( 美) 的高精度；a l a v i e 等将b r a g g 光栅传感器埋入混凝土桥中，经受了实际工程考验，表明其稳 定性和耐久性比传统技术优越得多。 在温度检测方面【1 1 】，m e a s u r e s 等在加拿大c a l g a r y 一座两跨碳纤维钢 筋混凝土预应力桥梁上，埋设了5 套4 通道b r a g g 光栅光纤传感系统，检 测桥梁建造和使用过程中通道b a r a g g 光栅光纤传感系统内部温度和应变： 意大利学者g u s m e r o l i 等将f p 光纤干涉传感器埋入一个5m 长的混凝土 梁中检测其热膨胀；成都电子科技大学光纤国家试验室与黄河龙羊峡、刘 家峡水电厂等合作，成功地开发了大型水、火发电机组的温度光纤传感器 等多项传感技术。 在裂缝检测方面，r o s s i 和l e m a o u 介绍了使用埋入式多模光纤( 1 0 0 z m 直径，在几个截面处把保护层去掉) 探测混凝土中的裂缝i l5 1 。当裂缝穿 过没有包层的光纤任一截面时，就会观察到光纤中光强有一跌落。该方法 己用在一汽车隧道的壳壁上，以检测不同位置裂缝的出现。 l e u n g 等1 1 6 1 人提出了一种用于检测混凝土结构的分布式光纤裂缝传 感器，只要知道裂缝的开裂方向，用该传感器就可以同时测量多个裂缝的 第一章绪论 位置和宽度。 m a s r i 和a b d u n u r 等1 1 3 】人将环绕式光纤传感器与已知几何及力学特性 的复合材料梁牢固地粘贴于桥上沿。通过光纤传感器可测得荷载作用下梁 的曲率变化，从而知道桥的曲率变化及挠曲裂缝的情况，其原理是裂缝增 长引起环绕式光纤中光衰减的增长。 m e n d e z 、w a n s e r 和v o s s 等1 1 4 1 人利用多模光纤o t d r 技术检测裂缝和 滑移。试验中将光纤与裂缝布置成一角度，即所谓“方位角式光纤传感器”， 检测到小于0 1m m 的裂缝，分辨率为1 0 肛m ，且在1 5 0 的应变和6m m 裂缝的动态范围下，传感器仍能正常工作。 c h r i s t o p h e r k y l e u n g 等【1 7 l 提出了一种可用于混凝土结构裂缝检测的 分布式光纤传感嚣，这种传感器在未知裂缝的方向，只要裂缝方向与光纤 斜交，就能对裂缝进行检测。 国内近年如清华大学、重庆大学、武汉工业大学等也开始这一领域的 研究，开展了在混凝土的硬化过程和结构中长期监测混凝土结构应力、应 变及裂缝的发生与发展等内部状态的光纤传感技术的研究1 1 s 】。 武汉工业大学光导纤维研究与开发中心，研制的碳纤维位移传感器，可 测量最大位移2 c m ，最小测量范围5 0 * m ，灵敏度1 舢n ，位移值由输出 电压表示，可重复性强，在三峡工程碾压混凝土现场试验中曾参与试验。 蔡德所在教育部重点科技项目的支持下，进行了专用光纤陀螺及其监测系 统的研究，进行了上海胶木模型和宜昌大比尺混凝土面板堆石坝模型试 验，取褥了很大进展。武汉科技大学进行了用光纤陀螺测量混凝土面板堆 石坝面板的挠度的木模型试验。哈尔滨工程大学【”j 从理论和试验两方面研 究了在精度保持不变的前提下，量程可任意扩大的光纤位移传感系统。 重庆大学“国家教委光电技术及系统开放试验室”子1 9 9 5 年获准国 家自然科学基金资助，选用国际上光纤传感技术的前沿热点布拉格光栅 ( f b g ) 作为应变传感机理，借助光栅中心波长的漂移，感知环境参量( 应变、 温度等1 ，灵敏度高，抗干扰能力强，传感结构简单，易于实现准分布检 测；清华大学电子工程系近年来开展了混凝土应变光纤传感技术的研究， 将梳状光栅型传感器应用于混凝土表面应变测试试验，取得较好效果。 三峡大学的万华琳【2 0 l 在基于光模式微弯损耗的强度调制机理的基础 上，利用分布式光纤传感器监测高陡边坡深部变形。将传感光纤段与可能 第一章绪论 的滑移面斜交。当地下深部某一部位发生变形时，光纤传感器的某一传感 部位发生变形，产生微弯，微弯将破坏光波导的全反射条件，使光强衰减 增加，从而被o t d r 检测。利用实测波形和小波分析方法，可对滑移面加 以定位。 南京大学光电传感工程监测中心在南京大学9 8 5 工程项目的支持下， 建成了我国第一个针对大型基础工程的b o t d r 分布式光纤应变监测试验 室，丁勇、施斌、崔何亮等f 2 1 】设计了一种专门用于监测边坡表面的光纤传 感网络，该网络利用分布式光纤应变监测技术( b o t d r ) ，将光纤( 光缆) 按 一定方式布设成网络，埋入边坡表面以下一定位置，通过监测( 光缆) 的应 变变化，推算出边坡的表面变形，对室内模型进行的加载试验表明，该网 络对悬挂重物而引起的表面变形很敏感，且能够精确分析发生异常的区域 和应变大小，进而对表面变形状态进行三维模拟，为边坡稳定监测提供一 种新的方法。 江毅，c h r i s t o p h e rk y l e u n g 2 2 l 利用光时域反射计( o t d r ) 技术的分布 式光纤裂缝传感器，测量了裂缝宽度与损耗之间的关系、裂缝的位置和裂 缝的宽度，可测量裂缝的范围在o 2 艺m m 之间，能够满足一般混凝土结 构的裂缝实时检测的需要。并研究了光纤与裂缝的夹角对传感器性能的影 响，以及改变光纤的数值孔径对传感器性能的影响。 姜德生【2 3 j 等人在深入分折光纤传感器在混凝土结构检测技术及其相 容性的基础上，研制了一种用于混凝土裂缝监测的光纤传感器。对传感器 进行三点弯曲混凝土梁的加载试验，能很好地感知裂缝的发生和发展。同 时，采用环氧保护层的方案实现了结构变形和混凝土开裂对光纤的微弯调 制，而且在一定的裂缝开度范围内不断裂，从而增加了应用的可靠性，满 足实际工程的要求。 刘浩吾、杨朝辉1 2 4 2 5 】等人首次提出了分布式光纤裂缝传感网络和新型 转换机制，由固体材料的力学间断面直接生成光纤微弯损耗，而勿需附加 弯形器，具有全分布检测功能；基于裂缝传感的光学和力学原理，总结出 大动态高灵敏光纤组合理论斜交方式的分布式光纤传感技术，通过多夹角， 多种光纤、多种材料的模型试验，表明斜交光纤裂缝传感器不仅具有裂缝 连续分布式检测和定位功能，而且还可检测滑移；研制的光纤传感网络首 次为实现大范围、连续的裂缝监测，提供了高技术手段，可实现定宽( 缝 第一章绪论 宽精度达o 0 1m m ) 、定位、定向，其性能先进可靠，检测方便，已在工程 应用中得到了初步验证。 c k y l e u n 9 1 2 6 1 将光纤埋设在聚合体制作的传感板内，保证光纤能自 由滑动和弯曲，用环氧树脂将制好的传感板粘贴在混凝土梁的底部，传感 器能检测到大约0 1m m 的裂缝。 国内工程有重庆“渝长”高速公路上的红槽房大桥监测和芜湖长江大 桥长期监测与安全评估系统等。 综上所述，利用光纤传感技术进行裂缝监测已得到广泛关注和研究， 该技术在裂缝的定位定宽等方面己取得初步进展，已成为一个新发展方 向。但是，目前这种技术还不成熟，还处在试验研究阶段，在工程实际应 用中还处在较低层次。因此，进一步深入研究光纤传感裂缝监测技术，对 工程实践具有重要的意义。 1 3 本文主要研究的主要内容 针对钢筋混凝土结构裂缝监测的需要，依据光纤瑞利散射原理和 o t d r 光时域反射技术原理，研究开发一种基于光纤传感的钢筋混凝土裂 缝监测技术，以期为钢筋混凝土结构的裂缝监测提供一种实用有效的崭新 技术。 具体研究内容如下： 1 1 混凝土结构裂缝产生及扩展机理分析； 2 1 光纤基本结构性能的分析； 3 ) 光纤波导理论的分析； 4 1 基于光纤传感的裂缝监测原理分析； 5 1 分布式光纤裂缝传感特性研究； 6 1 裂缝监测试验装置设计与制作； 7 、基于光纤传感的裂缝监测方案设计； 鼬光纤裂缝传感网络的布设技术研究及粘贴于混凝土梁表面的光纤 光损耗裂缝关系的研究； 9 1 光纤裂缝传感的性能试验及考核试验； 1 0 1 大位移传感器的设计与试验特性研究。 第一章绪论 1 4 本文主要创新点 ( 1 ) 提出了基于光纤微弯原理的裂缝监测系统的设计思想和完整的系统设 计方案，构建了裂缝监测系统模拟试验平台，为基于光纤传感的裂缝监测试验 研究提供了理论和技术保障。 ( 2 ) 提出了基于斜交光纤传感网络的裂缝监测技术方法，并得出光纤与裂缝 走向之间的斜交夹角等于6 0 。时为最佳传感网络布设方案。该技术方法具有工 艺简单、成本低廉、易于实施、能够实现分布测量的优点。 ( 3 ) 提出了基于微弯增敏光纤传感头的裂缝监测技术方法，建立了增敏光纤 传感网络的光损耗与裂缝宽度之间的定量关系式，并设计制作了微弯增敏光纤 传感头。该技术方法可以在未知裂缝走向的情况下对混凝土裂缝实施准确定位 和高精度测量，其测试精度达到0 0 5 m m ，完全适用于混凝土裂缝的高精度和分 布式监测，可在混凝土桥梁、大坝、隧道等裂缝监测中广泛推广应用。 第二章钢筋混凝土结构裂缝及其分布规律研究 第二章钢筋混凝土结构裂缝及其分布规律研究 裂缝是固体材料中的某种不连续现象。混凝土是一种均质的复杂多相材料， 在其微观结构组成之间主要的结合力是范德华力，因此，其抗拉强度远低于抗 压强度【2 7 1 。当混凝土内部产生拉应力超过其抗拉强度时，就会产生裂缝。但是 由于混凝土构件裂缝产生的随机性，有必要研究裂缝的发展特性及发展机理， 对裂缝发生的位置和走向作定性了解，以期为分布式光纤的监测方案的设计及 光纤网络的布置提供指导。 2 1 裂缝的分类 混凝土结构裂缝的成因复杂而繁多。混凝土中裂缝按范围可分为“宏观裂 缝”和“微观裂缝”。一般以0 0 5m i l l 为界，大于o 0 5m m 称为“宏观裂缝”， 小于o 0 5m m 称为“微观裂缝”。其次，混凝土由外荷载作用( 包括动载和静载) 会引起裂缝；由变形( 包括温度，不均匀沉降) 会引起裂缝；由旋工操作不当( 制 作、脱模、养护、堆放、运输、吊装) 会引起裂缝；设计不当也会引起裂缝。总 之，裂缝的类型主要概括为结构性裂缝( 受力裂缝) 和非结构性裂缝两大类。 由外荷载引起的裂缝，称为结构性裂缝( 又称受力裂缝) ；由混凝土自身应力 形成的裂缝为非结构性裂缝。结构性裂缝和非结构性裂缝有明显的区别，危害 效果也不同，通常两类裂缝融在一起同时出现。 2 1 1 结构性裂缝( 荷载裂缝) 混凝土桥梁在常规静荷载、动荷载以及次应力下产生的裂缝称为结构性裂 缝( 荷载裂缝) ，其裂缝的分布及宽度与外荷载有关。这种裂缝的出现，预示着结 构承载力不足或存在其它严重的问题。有些结构性裂缝是由设计缺陷和施工方 法不当造成的。实际工程中，结构性裂缝多为荷载裂缝。从产生根源上来看， 荷载可分为：荷载变位，成桥内力，温度变化，材料时效( 例如收缩和徐变) ，先 天和后天的截面消弱( 如混凝土截面和配筋不足，或外界因素造成的破损) ，化学 第二章钢筋混凝土结构裂缝及其分布规律研究 ( 物理) 作用。不同性质荷载的作用会引起不同的裂缝。桥梁均布荷载或集中荷载 作用下，当拉应力超过了混凝土的抗拉强度时，出现垂直于桥梁纵轴的裂缝： 当桥梁构件受到较大的剪应力时，容易产生斜向裂缝。剪切裂缝一旦出现，就 应加强观察，如果裂缝发展缓慢并限制在受控区外，还是允许的，但是如果裂 缝不断发展或者裂缝已接近受拉区，则不论其宽度和挠度如何都应该及时给予 必要的加固处理。斜拉裂缝产生主要有几个方面： ( 1 ) 由于弯曲裂缝的存在，改变了截面的剪应力分布，是剪切裂缝产生的一 个重要原因。 伪设计中只注意正应力的计算，忽视了剪应力的计算，仅仅按经验配置受 剪的箍筋和斜筋，设计中过分依赖腹板竖向预应力钢筋等因素都能引起斜拉裂 缝。 ( 3 ) 施工过程中弯起预应力筋错位，竖向预应力筋失效，张拉顺序错误，均 有可能产生剪切裂缝。局部承压及伴随的劈裂和崩裂也能产生裂缝。在一些局 部地方，例如锚头部位，由于后张预应力锚固端承载力，先张预应力端部摩擦 力传递，这些部位的应力分布很复杂，常常伴随着劈拉应力，造成锚固端部裂 缝。 总之，荷载裂缝主要有直接应力裂缝，次应力裂缝两种1 2 8 以9 1 。 2 1 2 非结构性裂缝 由混凝土自身变形引起的裂缝，称为非结构性裂缝，如温度变化，混凝土 收缩等因素引起的结构变形受到限制时，在结构内部就会产生自应力，当此应 力达到混凝土抗拉强度极限值时，将引起混凝土裂缝。裂缝一旦出现，变形得 到释放，自应力也就消失了。混凝土的非结构性裂缝的产生受到混凝土的材料 组成，浇注方法，养护条件和使用环境等多种因素的影响。非结构性裂缝主要 有收缩裂缝，温度裂缝，钢筋锈蚀裂缝等几类。 ( 1 1 收缩裂缝 混凝土凝固过程中，水泥和水发生水化作用，逐渐硬化而形成的水泥骨架 不断紧密，体积缩小，称为凝缩；另外，混凝土中多余的水分蒸发，使体积缩 小，称为千缩。凝缩与千缩称为收缩。收缩中以干缩为主，占总收缩量的8 0 - 9 0 。混凝土形成时，其干缩过程是由表面逐渐扩展到内部的，由于截面上温度 第二章钢筋混凝土结构裂缝及其分布规律研究 存在梯度，因此导致表面收缩大，内部收缩小的不均匀收缩，当混凝土的表面 收缩变形受到内部约束或其它约束时，混凝土就会产生拉应力，当表面混凝土 所受的拉应力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。若混凝土早期养护不当， 极易出现收缩裂缝。 收缩裂缝一般发生于混凝土的表面，缝浅且细，一般宽度在o 0 5 加2m i l l 之 间，其走向纵横交错，呈龟裂状，没有规律性。收缩裂缝一般在混凝士露天养 护完毕一段时间后，在表面层和侧面层出现，并随温度和湿度的变化而逐渐发 展。一般初期收缩较快，而后变化缓慢，且其收缩量随时间增长而不断加大， 收缩裂缝对构件承载力影响不大，主要影响构件外观和耐久性。 ( 2 ) 塑性收缩 塑性收缩发生在施工过程中混凝土浇筑后4 巧h 左右，此时水泥水化反应激 励，分子链逐渐形成，泌水和水分急剧蒸发，引起混凝土失水收缩，同时骨料 因自重下沉，此时混凝土尚未硬化，称为塑性收鲥3 们。 塑性收缩的量级很大，可达1 左右，在骨料下沉过程中若受到钢筋阻挡， 便形成沿钢筋方向的裂缝。在构件竖向变截面处，因硬化前沉实不均匀将发生 表面的顺腹板方向裂缝。 ( 3 ) 自身收缩 混凝土在硬化过程中，水泥与水发生水化反应，与外界湿度无关，且可以 是正的( 即收缩，如普通硅酸盐混凝土) ，也可以是负的( 即膨胀，如矿渣水泥混 凝土与粉煤灰水泥混凝土) 收缩，就是自生收缩。 炭化收缩 大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形称为炭化 收缩。炭化收缩只有在湿度5 0 左右才能发生，且随二氧化碳浓度的增加而加 快。 ( 5 ) 温度收缩 混凝土具有热胀冷缩的性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝 土将发生收缩或膨胀变形，若变形受到约束，在结构内将产生应力，当应力超 过混凝土抗拉强度时，即产生温度裂缝。在某些大跨径桥梁中，温度应力可达 到、甚至超过荷载应力。温度裂缝区别于其它裂缝的最主要特征是随着温度的 变化而扩张或合拢。 按结构的温度场，温度变形及温度应力不同，温度裂缝可分为三种类型州 第二章钢筋混凝土结构裂缝及其分布规律研究 截面上下( 左右) 呈温差裂缝：桥梁结构中外界温度骤然变化，造成箱体 内外的温度差，考虑到桥梁为细长结构，可以认为在沿梁长度方向箱体内外温 度差是一至的，沿水平横向没有温差。在这种温差作用下，梁有轴向变形和弯 曲变形，梁的弯曲变形在超静定结构中不但引起结构的位移，而且因多余约束 存在，还要产生结构内部温度应力。当上下温差变形产生的应力达到混凝土抗 拉强度极限值时，混凝土就要出现裂缝，这种裂缝称为截面上下温差裂缝。在 青藏铁路中，很多梁由于受阳面和阴面温差的影响也产生左右面温差裂缝。 截面均匀温度差裂缝：一般桥梁结构为杆件体系结构，当温度变化时， 构件截面受到均匀温差的作用，可忽略横截面方向的变形，只有考虑沿梁长度 方向的温度变形。当这种变形受到约束时，在混凝土内部就会产生拉应力，出 现裂缝。 截面外温差裂缝；水泥在水化过程中产生一定的水化热，其大部分热量 是在水泥浇注后三天以内放出的。浇筑大体积混凝土及预制构件采用蒸汽养护 时，会使截面内部产生非线性温度差。在这种截面温度差作用下，结构将产生 弯曲变形，截面纵向纤维因温度的伸长将受到约束，产生温度自应力。对超静 定结构还会产生阻止挠曲变形的约束力，有时候此温度应力是相当大的，尤其 是混凝土早期强度比较低时，很容易造成混凝土裂缝。 温度裂缝的走向一般没有一定的规律，但是对其形成特点的分析也能找到 一些规律。梁，板类长度尺寸较大的构件，裂缝多平行于短边；大面积的构件， 裂缝常纵横交错；深入的和贯穿性的温度裂缝一般与短边方向平行或接近平行， 裂缝沿着长边分段出现，中间较短，裂缝宽度一般在0 5 1 0h l n i 之间。热膨胀 引起的温度裂缝是中间粗，两端细。 混凝土裂缝的存在，对于混凝土的基本物理力学性质：如弹塑性、徐变、 各种强度、变形、泊松比、结构刚度、化学反应等有重要影响。 由于裂缝的分布是不规则的，沿截面是非贯穿的，故微裂混凝土可承受一 定的拉力和剪力，但裂缝进一步扩展串连全截面，将导致断裂，需配置钢筋加 强。 微裂的原因可按混凝土的构造理论加以解释，即视混凝土为骨料、水泥石、 气体、水分等组成的不均匀材料，在温度、湿度变化条件下，由于膨胀系数不 同，在它们之间产生变形，导致开裂1 1 j 。 第二章钢筋混凝土结构裂缝及其分布规律研究 2 2 裂缝产生的原因 混凝土产生裂缝的原因【3 2 1 艮多，主要有：外荷载( 包括施工和使用阶段的静 荷载、动荷载) 引起的裂缝；物理因素( 包括温度、湿度变化、不均匀沉降、冻涨 等) 引起的裂缝；化学因素( 包括钢筋锈蚀、化学反应膨胀等) 引起的裂缝；施工 操作( 如制作、脱模、养护、预应力张拉、堆放、运输、吊装等) 引起的裂缝。 综上，裂缝可归纳为两种：荷载引起的裂缝和混凝土自身变形引起的裂缝。 2 2 1荷载引起裂缝产生的原因 荷载裂缝即静动荷载和其他荷载的直接应力引起裂缝，此外还受徐变和应 力松弛因素影响。荷载试验表明【1 1 ，当混凝土受压，荷载在3 0 极限强度以下时， 微裂几乎不