昊衡科技OFDR产品应用于钢筋混凝土结构裂缝探测

3/05/2021，裂缝早期检测对钢筋混凝土结构的维护至关重要。本研究将光纤植入钢筋混凝土结构进行足尺地下连续地下连续墙-腰梁-支撑接头试验。而武汉昊衡科技的OFDR分布式OSI-S光纤传感系统能实现对结构内部的连续应变测量，传感长度：100m，空间分辨率最小1mm，应变测量精度：±1με ，该产品能分析应变分布结果获得裂缝的产生和位置，与试验过程中观察到裂缝一致，这证实在钢筋混凝土结构内部布设光纤，可以实现混凝土表面裂缝监测。此外，对比不同位置光纤的应变测量结果，能够识别裂缝发展的方向和深度。

测试装置和加载方式
   光纤安装在支撑内部钢筋中，支撑是钢筋混凝土制成的地下连续地下连续墙-腰梁-支撑接头的一部分(见图1)。液压作动器对横向支撑的钢筋混凝土结构垂直向下施力，加载从120kN开始，直到约2600kN时结束。 



测试钢筋混凝土结构和光纤传感器
   图1和图2显示地下连续墙-腰梁-支撑接头的尺寸以及支撑中钢筋和光纤的位置。0.9毫米紧护套光纤粘贴到钢筋的凹槽，在钢筋的两端留下过渡区和未粘胶部分，钢筋长度为2米，全粘胶部分为1.6米，是“有效测量长度”。在过渡区外，光纤被放入橡胶套管(蓝色)中，在混凝土浇筑过程中保护光纤。图3显示光纤传感器布设方式。在支撑顶面和侧面各布设3根光纤，总共6条测量线串连，光纤在顶部的总长度为23米，在侧面为30米。
 


钢筋混凝土结构失效
   图4显示了力-端部竖向位移关系曲线、力-最大裂缝宽度曲线和加载的最终破坏状态。为方便结果分析定义漂移率(端部竖向位移除以支撑长度)，特征点的最大漂移率和裂缝宽度也进行了一一对应。由图可知，第一条裂缝C1在0.1%漂移率时出现，随后当漂移率达到0.5%时出现了许多小裂缝(C2~C6)，过程中观察最大裂缝宽度显著增加，达到约0.4毫米(由裂缝宽度测量仪获得)。



   力-端部竖向位移曲线显示该结构0.5%漂移率前(1007.1 kN)是近似线性弹性行为，随后是刚度逐渐下降的几个阶段(分别由蓝色、红色和品红色实线)，在4.8%漂移率时达到2628 kN最大荷载。在1.5%漂移率时，腰梁中第八条裂缝C8被捕获，该处测得最大裂缝宽度约1.2毫米。随着变形增加，由于载荷下降，测试以5.4%漂移率终止，受压侧混凝土被压碎。 

钢筋应变分布和顶部裂缝分布
   图5(a)是0.15%漂移率时支撑和腰梁混凝土表面的裂缝分布。观察到C1在0.1%漂移率时出现，位于腰梁和支撑之间的交叉处，距离光纤传感器起点0.3米。C2第二条裂缝在0.15%漂移率时出现，距离C1 0.45米。 



   图5(b)~(d)是顶部纵向植入钢筋内光纤A、B和C的应变测量结果。当加载量较低(120kN)时，应变分布相当平滑，表明很少或没有显著开裂；随着载荷增加，在所有应变分布中都出现尖峰，这与观察到C1和C2裂缝位置一致。可以得出结论，应变分布中尖峰表示裂缝位置。OSI测量系统在约240kN较低载荷时检测到早期开裂(C1)，在300kN载荷时，早期开裂变得明显。研究表明，光纤植入钢筋方案，应变分布可精确定位混凝土表面裂缝。与先前报道的混凝土表面布设光纤方案测量结果相似。
 


   图6(a)显示观察的新裂缝C3~C6的产生和位置。在0.3%漂移率时支撑上观察到裂缝C3~C5，在0.45%漂移率时C6出现在腰梁上。图6(b)~(d)中应变曲线可以很容易地识别以上裂缝。C6裂缝位于传感光纤段边缘，因此无法识别。

钢筋应变分布和侧向裂缝分布
   图7(a)显示1.1%漂移率时混凝土侧面的裂缝，它反映弯曲和剪切的综合作用。图7(b)~(d)是植入钢筋内光纤D、E和F的应变测量结果。F中应变尖峰显示C2~C5 4个裂缝，而钢筋E仅捕获到3个尖峰。此外，E和F中的裂缝C2和C3与裂缝C2和C4之间的距离变化显示裂缝发展有轻微左移趋势，这与目测结果比较符合。另外，位于支撑底部钢筋D和远离支撑支撑侧的1/3部分钢筋呈现压缩应变。 



结论
1、光纤植入钢筋方案与先前报道的混凝土表面布设光纤方案，应变测量结果相似。可通过应变曲线中的尖峰识别裂缝的产生和位置。
2、在低载荷或变形条件下更容易识别裂缝，在较高载荷水平下识别裂缝难度增加。
3、合理布置光纤，可以捕捉裂缝发展路径，实现对裂缝方向和深度的识别。

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