陶思聪，赖博文，雷　鹰，陈志为，董小鹏*

(1.厦门大学信息科学与技术学院，2.厦门大学建筑与土木工程学院，福建厦门361005)



钢筋混凝土梁表面多裂缝扩展的试验研究

陶思聪1，赖博文1，雷鹰2，陈志为2，董小鹏1*

(1.厦门大学信息科学与技术学院，2.厦门大学建筑与土木工程学院，福建厦门361005)

摘要：采用单模光纤和基于差分脉冲对(DPP)技术的布里渊光时域分析仪(BOTDA)对表面已有2条宽度分别为0.5和0.1 mm、间距20 cm裂缝的钢筋混凝土梁在一定荷载下裂缝的扩展变化进行了试验研究.将一根直径250 μm的裸光纤环绕4道跨过相同裂缝，并采用不同的胶黏剂全面黏接，研究了胶黏剂粘贴效果对测量结果的影响.在梁中部加载10 kN的静态荷载使裂缝扩展，将BOTDA的空间分辨率设为5 cm，采样间隔设为1 cm，经初步的信号处理，即可获得混凝土表面裂缝扩展的应变分布的明显变化.测量结果表明，具有高空间分辨率和较小空间采样间隔的DPP-BOTDA能比较准确地测量混凝土连续梁表面比较密集的裂缝受压扩展情况，测量结果基本不受胶黏剂的影响.

关键词：布里渊光时域分析仪(BOTDA)；应变分布；钢筋混凝土梁；裂缝扩展

混凝土在长期使用过程中因本身施工缺陷及温度、外力荷载、环境侵蚀、老化等外部因素影响而易发生开裂.我国混凝土结构设计规范规定的裂缝允许宽度为0.2～0.4 mm[1]，一旦超出允许值则易造成内部钢筋锈蚀，危害建筑的安全.常规检测主要依赖于技术人员的定期巡检，借助裂缝检测仪近距离检测，无法实时在线监测，且存在漏判和误判的可能.因此，作为混凝土结构安全状态的重要标志之一，裂缝的监测一直是近年来的研究热点.传统的监测手段如各类电子传感器[2]、图像识别技术[3]和声发射技术[4]等逐渐不能满足大型结构多点实时监测的需求.大量的研究和试验表明，光纤传感技术是一种适用于土木结构长期在线监测的技术手段[5-14].光纤传感技术又分为基于光纤布拉格光栅的准分布式传感和基于光时域反射(OTDR)、布里渊光时域反射/分析(BOTDR/A)的分布式传感.其中，光纤布拉格光栅传感器因其高精度、小尺寸、无需供电、抗电磁干扰、易组网等准分布式测量特点，在结构健康监测领域得到广泛的使用.但是针对桥隧等特大结构建筑的连续(空间连续和时间连续)测量，尤其是当被测点较密集且数量较大时，采用光纤光栅的准分布式传感系统在实际应用中存在较大困难.而BOTDR/A技术则克服了上述技术中无法多点、长距离分布式在线监测的难题，为监测混凝土表面多裂缝的出现和扩展提供了一种新的解决方案.BOTDR/A是基于光纤本身布里渊散射的非线性效应而发展起来的长距离分布式检测技术[7]，可检测出沿测量光纤轴向分布的应变和温度信息，有效测量长度可达几千米至几十千米.近年来，在基建工程规模快速扩大和实时监测需求增长的背景下，不断有将BOTDR/A应用到桥隧、边坡、基坑等混凝土结构受力状态的监测及裂缝识别的报道[8-12]：如钱振东等[9]将感测光缆埋入混凝土铺装层中，成功监测到裂缝的扩展情况，卢毅等[10]采用BOTDR技术对地裂缝的变形进行了监测，郭彤等[11]则采用更高精度和空间分辨率的预抽运布里渊光时域分析(PPP-BOTDA)技术对混凝土试块和箱梁的应变状态进行了研究.这些实验获得了较为准确的定量结果，具备一定的实用价值，但未见对密集裂缝区应变情况监测及实验的相关报道.

一些经过长期运行的大型混凝土结构易受外界因素的影响而在其表面出现较密集的裂缝，经修补后裂缝是否还会继续扩展是工程上十分关心的问题.早期BOTDA的空间分辨率仅为0.5～1.0 m量级，如果在此范围内存在多条裂缝，则无法精确测量各裂缝的扩展情况，不利于对混凝土健康状况的评判.本研究使用基于差分脉冲对(DPP)技术的高空间分辨率BOTDA(仪器型号：RP1002)并辅以较小的空间采样间隔，对一根表面已有2条间距20 cm裂缝的钢筋混凝土梁在一定荷载下裂缝的扩展情况进行了测量，清晰分辨和获得了各裂缝的扩展和其附近区域应变分布的变化情况.实验上采用4种不同胶黏剂粘贴光纤，同时研究了不同胶黏剂特性对测量结果的影响.

1BOTDA的工作原理

受激布里渊散射是光纤中入射光功率达到一定阈值后，抽运光、斯托克斯光和声子之间相互作用产生的一种非线性光学现象.布里渊散射光的频率与材料所受的应力有关，因此通过检测其频率的变化，即可获得与光纤紧密贴合材料的应变信息.本研究所用的BOTDA是基于受激布里渊散射并结合OTDR技术开发的一种可测量光纤长度上各点应变情况的分布式应变传感系统，它的基本测量原理如图1所示.使用时，在测量光纤的两端分别注入连续的探测光和脉冲的抽运光，通过测量探测光最大增益所对应的频率，即可换算出光纤轴向上各点的应变信息.

图1　BOTDA的基本测量原理示意图Fig.1The basic measurement principle of BOTDA

布里渊频移ΔvB、应变ε和温度变化量ΔT的关系可以用下式表示[13]：

(1)

BOTDA的测量分辨率与抽运脉冲的宽度成正比，理论上脉宽越窄越好.但是由于受到光纤材料声子寿命的限制，通常脉宽不能小于10 ns，且越窄的脉宽布里渊增益越弱，增益谱的线宽越宽，测量精度就越低.为了提高BOTDA的空间分辨率，人们在研究中发展了预抽运脉冲(PPP)[14]和DPP[15]技术.其中，DPP-BOTDA是一种可以获得厘米数量级分辨率且较易实现的方案，它通过控制脉冲泵浦源连续输出2个脉宽为数十纳秒，脉宽差为数纳秒的脉冲对进入传感光纤，通过对2个脉冲不同的布里渊增益光谱做差分运算获得更加精细的增益谱，从而实现高分辨率、高精度的测量.DPP-BOTDA的测量原理可简单用图2来表示[15]，2个具有很小脉宽差δτ的脉冲拥有不同的布里渊增益I(0,t,τ)、I(0,t,τ+δτ) 和不同的空间分辨率cτ/2、c(τ+δτ)/2，因此差分运算后的等效空间分辨率δz将由脉宽差、脉冲对的上升沿和下降沿时间共同决定.

图2　DPP-BOTDA的原理示意图Fig.2The principle of DPP-BOTDA

本研究所用的BOTDA即是基于DPP技术开发的，可以达到5 cm的空间分辨率.同时，实验中采用保偏光纤作为传感光纤，避免了光在传输时偏振态变化造成的信号波动，进一步提高了测量精度.

2实验设计

采用矩形截面钢筋混凝土连续梁为实验对象，尺寸为250 mm×150 mm×1 000 mm，混凝土强度为C30，并经加载破坏已具有2条贯穿性裂缝，其中①号裂缝宽度约0.5 mm，②号裂缝宽度约0.1 mm，两裂缝间距约20 cm.将梁简支并载荷可以使裂缝继续扩展.为了测量裂缝处的集中应变大小及梁下表面的连续应变分布，将一根直径为250 μm的保偏光纤沿梁纵向粘贴，并且环绕4道分别跨过2条裂缝，如图3所示.相邻2道之间的弯曲光纤保持自由状态不粘贴，因此，所形成的3处零应变区域可将4段应变在曲线上分隔开来，便于对数据进行分析.

对于表面粘贴式传感器来说，被测物的应变通过胶黏剂的剪切力传递到传感器上，因此胶黏剂的弹性

图3　混凝土梁尺寸及光纤布设示意图(单位：mm)Fig.3The size of the concrete beam and the layout of fiber(unit:mm)

模量等性能对应变传递效率存在重要的影响.一般来说，选用与基底材料(被测物体)弹性模量近似的胶黏剂会得到较高的传递效率.本次实验中，选用了工程中常用的，且耐久性较高的4种胶黏剂分别粘贴4段光纤，如表1所示.通过相同的被测物、应变情况、光纤、测试仪器及不同的胶黏剂的对比实验，可以研究分析出胶黏剂对分布式应变测量效果的影响.

表1　4种胶黏剂的部分参数Tab.1　The properties of four kinds of adhesive

注：上述4种胶水的的固化条件：常温， 24 h.

RP1002型BOTDA的主要技术参数如表2所示.

在胶黏剂固化到足够的强度后，首先采集并记录光纤轴向的初始应变分布；其次，在梁的中部加载10 kN静态荷载，以使裂缝展宽，采集此时的应变分布情况.传感光纤的实际粘贴情况如图4所示.

表2　RP1002型BOTDA分析仪的主要技术参数Tab.2　The main parameters of the BOTDA(type:RP1002)

图4　采用4种不同胶黏剂分4段 粘贴在混凝土梁表面的单根光纤Fig.4Single optical fiber attached on the concrete beam with four different kinds of adhesive

3实验结果与分析

3.1胶黏剂固化后光纤轴向上的初始应变分布

光纤处于自由状态时，其轴向应变分布为零，但胶黏剂在固化之后会在光纤轴向上形成一定的初始应变分布，如图5所示.图中的A、B、C、D分别为4种胶黏剂固化后形成的应变段，它们之间存在较大的差异，反映了不同胶黏剂固化时的不同收缩程度，也在一定程度上反映了涂胶的均匀性程度.其中，B段的应变峰发生了分裂，这是因为在曲线中部存在一个应变极小点从而使曲线产生了凹陷，仔细观察混凝土梁表面后发现，在2条裂缝中间的B段光纤粘贴处有一个直径约为3 mm的圆形凹孔，光纤在布设时恰好跨过该凹孔，导致该部分的胶黏剂在固化时产生的应变较小.这一方面反映了BOTDA测量应变分布较高的空间分辨率和准确性，另一方面，在后续的实验中也发现初始应变分布对应变变化测量的结果几乎无影响.

图5　胶黏剂固化后沿光纤轴向的初始应变分布曲线Fig.5The distribution curve of initial strain when the adhesive has dried

3.2裂缝展宽后的应变分布特征

记录梁加载10 kN荷载后的应变分布，并减去初始应变分布，得到的应变分布变化差值如图6所示.图中可以明显地看出有5处应变零点将应变区域分割成了A、B、C、D 4段，每段上各有一大一小2个应变尖峰，分别对应2条裂缝.且相邻2段的大小应变尖峰两两相对，符合环绕裂缝的光纤走向.8个应变峰值的大小及其标准差见表3.

图6　混凝土梁载荷之后光纤上产生的应变分布曲线Fig.6The distribution curve of strain along the fiber after the loading of the concrete beam

实验中，用直尺测量了2条裂缝的间距，并和图6中测量得到的应变尖峰间距一起列在表4中.

表4　直尺测量和BOTDA测量的裂缝间距Tab.4　The spacing of cracks measured by tools and BOTDA

3.3结果分析

从图6可以看出，梁在加载后其下表面受到了拉伸，产生了正应变分布.裂缝的扩展形成了较大的集中应变，使应变曲线上出现了尖峰，且较大裂缝处的应变要明显大于较小的裂缝处，而其他位置的应变则较小.不难发现4段光纤所测量到的应变曲线非常接近，应变峰值的标准偏差均小于10-5，符合DPP-BOTDA的测量精度，反映了测量结果的可靠性，也说明了不同胶黏剂的使用效果对实际应变大小测量的偏差影响不大.因此，在相同的荷载条件下，从应变峰值的大小可以区分出不同的裂缝宽度.

表4中采用BOTDA测量获得的峰值间距数值与裂缝实测间距误差在1 cm左右，可以较准确地分辨出20 cm间隔的2条裂缝，符合仪器的空间分辨率和采样率指标，说明在实际应用中应能识别间隔低至2～5 cm的裂缝变化情况.实验结果表明不同胶黏剂的使用效果虽对应变测量值有一些影响，但基本不影响对多条具有一定间隔的裂缝的区分.

针对实际应用中经过修补的钢筋混凝土梁表面密集裂缝区，将传感光纤沿梁纵向铺设跨过裂缝，并用高强度、高耐久性的胶黏剂全面黏接在混凝土表面.为提高光纤强度，也可选用900 μm紧套管封装后的光纤进行铺设.由于铺设时已知裂缝的数量、间距、宽度和对应在光纤长度上的位置，因此可根据测量得到的应变峰值和分布而获得修补裂缝的扩展情况.并且可以根据是否出现新的应变尖峰而判断混凝土梁是否有新的裂缝出现.

由于传感光纤的两端均需要连接到BOTDA上，因此根据RP1002型仪器的测量长度指标，铺设单根传感光纤可实际监测2.5 km长度内混凝土梁表面的应变变化和间隔较小的多条裂缝的各自扩展情况，并可采用时分复用的方法同时测量多根铺设的传感光纤，提高仪器的监测容量.监测结果可为评判钢筋混凝土梁的安全状况提供依据.

4结论

本研究通过在已有裂缝的钢筋混凝土梁表面粘贴光纤，测量了一定荷载下梁表面的应变分布和裂缝扩展情况.采用5 cm空间分辨率和1 cm采样间隔的参数设置，准确获取了2条宽度分别为0.5和0.1 mm、间距20 cm裂缝的应变分布曲线.采用不同胶黏剂粘贴的4段光纤测量得到的峰值应变的重复性较高，标准差分别为8.8×10-6和3.6×10-6；裂缝间距的测量误差也均小于2 cm.另外，实验发现，不同胶黏剂固化后虽然会在光纤轴向上产生不同的初始应变分布，但对裂缝后续开展的监测无明显影响.实验表明，DPP-BOTDA技术在大尺度连续混凝土梁表面多裂缝的实时在线监测方面有较大的应用前景.

致谢本研究得到哈尔滨工业大学董永康老师、姜桃飞和夏猛同学对实验测量提供的帮助，谨致谢意.

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doi：10.6043/j.issn.0438-0479.201509025

收稿日期：2015-09-28录用日期：2016-01-16

基金项目：国家质检总局2014年科技计划项目(2014IK199)；福建省科技计划项目(2014H6027)；厦门市科技项目(3502Z20141049)

*通信作者：xpd@xmu.edu.cn

中图分类号:TU 375

文献标志码：A

文章编号：0438-0479(2016)04-0596-05

Experimental Study of Multi-crack Propagation Monitoringon the Surface of Reinforced Concrete Beam

TAO Sicong1,LAI Bowen1,LEI Ying2,CHEN Zhiwei2,DONG Xiaopeng1*

(1.School of Information Science and Engineering,Xiamen University,2.School of Architecture and Civil Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

Abstract:Using single-mode fiber(SMF) and Brillouin optical time-domain analyzer(BOTDA),we test and study the multi-crack propagation at a certain load on the surface of a reinforced concrete beam which embodies two existing cracks.The width of two cracks measures 0.5 mm and 0.1 mm,respectively,and the spacing is 20 cm.Encircling the bare fiber with the diameter of 250 μm four times across the same crack,and sticking with different adhesive,we conduct a comprehensive study of the impact of the paste effect on measurement results.We place a 10 kN static load on the middle of the beam to activate the propagation of cracks,while setting the spatial-resolution and sampling-interval of the BOTDA with 5 cm and 1 cm,respectively.Measurement results show that the BOTDA with high spatial-resolution and a smaller sampling interval can more accurately measure the strain distribution of closely spaced cracks under different degrees of propagation,reflect the propagation situation of intensive cracks on the continuous concrete beam.In other words,measurement results are basically unaffected by different adhesives.

Key words:Brillouin optical time-domain analyzer(BOTDA)；strain distribution；reinforced concrete beam；crack propagation

引文格式：陶思聪，赖博文，雷鹰，等.钢筋混凝土梁表面多裂缝扩展的试验研究[J].厦门大学学报(自然科学版)，2016,55(4)：596-600.

Citation：TAO S C, LAI B W, LEI Y,et al．Experimental study of multi-crack propagation monitoring on the surface of reinforced concrete beam[J].Journal of Xiamen University(Natural Science)，2016,55(4)：596-600．(in Chinese)