CN104154874B - 基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的监测装置及方法，其装置包括一根布里渊光纤(1)，布里渊光纤(1)包括多段应变监测光纤段(3)，每段应变监测光纤段(3)在钢筋混凝土结构的中央的钢筋(8)外盘绕一圈，全部的应变监测光纤段(3)均同心，最里面一圈应变监测光纤段(3)的长度等于一个空间分辨率dz的长度，从内向外每圈应变监测光纤段(3)的长度比里面一圈应变监测光纤段(3)的长度多一个空间分辨率dz的长度；其方法的关键为利用应变监测光纤段(3)的应变值乘以空间分辨率dz得出裂缝的宽度。该装置及方法能监测出裂缝的宽度以及裂缝从混凝土结构的断面中央向边缘的延伸程度。

Description

基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的监测装置及方法

技术领域

本发明涉及土木工程健康监测领域，具体讲是一种基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的裂缝的全尺度的监测装置及方法。

背景技术

钢筋锈蚀是混凝土结构耐久性失效的主要原因之一，据估计全世界混凝土结构每年因钢筋锈蚀引起的维护加固费用达1000亿美元。因为随着钢筋锈蚀的发生与发展，钢筋混凝土结构的使用性能和安全性能都将受到不利的影响。由钢筋混凝土锈胀开裂的力学模型可知，钢筋锈蚀过程中锈蚀产物填充混凝土孔隙的过程中将引起混凝土应变增加，从而导致混凝土开裂。传统的应变测试技术如电阻应变片和振弦式应变计等存在体积大、易受电磁干扰影响、耐腐蚀性差等缺点，无法满足钢筋锈蚀监测的要求。

现有技术中基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的监测装置已有相关研究，如专利号为ZL2010105715924的发明专利就公开了一种基于布里渊频移的监测方法及设备。以下为基于布里渊频移的分布式光纤技术的基本原理。

当入射光进入光纤介质时，光波中的一部分能量会偏离原来的方向而向其他各个方向传播，这就是光的散射现象，其中一种散射光叫做布里渊散射。散射光相对于入射光有一个频率的变化，称为布里渊频移。布里渊光时域分析计(BOTDA/R)也称为布里渊解调仪利用光纤的布里渊散射光的频移量与应变和温度变化之间的线性关系，通过测量布里渊散射频移量ν_B获取光纤沿线温度和应变的分布信息。光纤应变量、温度变化量与布里渊频率漂移量之间的关系如式所示：

上式中，ν_B(0)为初始应变、初始温度时布里渊频率频移量，ν_B(ε，T)为在应变ε、温度T时布里渊频率漂移量，dν_B/dT温度比例系数，dν_B/dε为应变比例系数，T-T₀为温度差；ε为应变变化量。

现有技术的基于布里渊频移的监测装置包括布里渊解调仪和一根可产生布里渊散射的传感光纤(简称布里渊光纤)，该根光纤由应变监测光纤段和温度补偿光纤段构成，温度补偿光纤段缠绕并浇注在环氧树脂保护块中，而应变监测光纤段在钢筋混凝土的钢筋外环绕一圈并浇注在混凝土中，应变监测光纤段首端与布里渊解调仪连接，应变监测光纤段末端与温度补偿光纤段首端连接，温度补偿光纤段末端与布里渊解调仪连接。

该设备的原理为：温度补偿光纤段缠绕在环氧树脂保护块中，不会随着混凝土发生任何应变，故该光纤段只会由于温度变化发生布里渊频移，而应变监测光纤段会随着混凝土发生应变，该光纤段的温度变化和应变均会引发布里渊频移，故将应变监测光纤段的布里渊频移值减去温度补偿光纤段的布里渊频移值，所得的布里渊频移值的差值就是完全由于应变监测光纤段的应变引发的频移，再将该差值除以应变比例系数，最后就能得到应变监测光纤段的应变，也就是钢筋混凝土结构的该断面的应变。

现有技术的基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的监测装置及检测方法存在以下弊端：该装置及方法，只能监测到混凝土结构断面上总的应变量，而锈胀裂缝总是从断面的中央向边缘延伸直至裂缝最后从中央完全贯通到边缘即完全开裂，而完全开裂的裂缝出现在混凝土梁的特定位置如梁侧面上是不构成有害裂缝的，但出现在梁底面则为有害裂缝；但现有技术的装置及方法既检测不出该断面的裂缝的具体位置，自然无从判断是否为有害裂缝，也检测不出裂缝的宽度及裂缝从中央向边缘延伸的程度，自然无法对混凝土锈胀开裂的全过程进行跟踪监测，更无法预测裂缝何时会完全开裂，故对有害裂缝的针对性防治措施就更无从谈起了。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是，提供一种能监测出裂缝的宽度以及裂缝从混凝土结构的断面中央向边缘的延伸程度的基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的监测装置。

本发明的一种技术解决方案是，提供一种基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的监测装置，它包括一根布里渊光纤和一个布里渊解调仪，布里渊光纤的两端与布里渊解调仪连接，布里渊光纤由多段应变监测光纤段和多段温度补偿光纤段交替连接而成，每段温度补偿光纤段浇注在一个环氧树脂保护块内，多段应变监测光纤段均位于钢筋混凝土结构的同一个断面上，每段应变监测光纤段在钢筋混凝土结构的中央的钢筋外盘绕一圈，全部的应变监测光纤段均同心且全部的应变监测光纤段浇注在混凝土内，最里面一圈应变监测光纤段的长度等于一个空间分辨率dz的长度，从内向外每圈应变监测光纤段的长度比里面一圈应变监测光纤段的长度多一个空间分辨率dz的长度。

本发明要解决的另一个技术问题是，提供一种能监测出裂缝的宽度以及裂缝从混凝土结构的断面中央向边缘的延伸程度的基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的监测方法。

本发明的另一种技术解决方案是，提供一种基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的监测方法，观察布里渊解调仪上各个应变监测光纤段的图像，当某圈应变监测光纤段的某个空间分辨率dz对应的布里渊频移值激增，则用该空间分辨率dz对应的布里渊频移值减去未发生激增的空间分辨率dz对应的布里渊频移值，所得的布里渊频移值的差值除以应变比例系数，得到应变监测光纤段的应变值，最后将该应变值乘以空间分辨率dz得出的值就是该圈应变监测光纤段上裂缝的宽度，同时判定裂缝已经延伸到该圈应变监测光纤段。

该监测装置及方法的原理如下。

首先引入空间分辨率dz的概念，分布式光纤应变传感技术可对结构应变进行分布式检测，但由于入射光存在脉冲宽度限制使得该技术需考虑空间分辨率影响，采样点的应变数据实际上是一段光纤内应变的综合反映，而空间分辨率dz就是布里渊解调仪上所能采集到数据的最短的一段光纤段长度，如果小于该光纤长度，则无法进行数据采集。

式中：dz为空间分辨率大小；W为入射脉冲光宽度，V为光波在光纤中沿轴向传播的速度。由此可见，空间分辨率是由入射光源决定的，且空间分辨率的具体数值是可知的。

当裂缝从中央延伸到某一圈应变监测光纤段时，该裂缝只会影响到该圈应变监测光纤段的一个空间分辨率dz使得该空间分辨率dz对应的布里渊频移值激增而该圈应变监测光纤段的其它空间分辨率dz所对应的布里渊频移值无影响，所以，当某圈应变监测光纤段的某一个空间分辨率dz对应的布里渊频移值相对于其它空间分辨率dz对应的布里渊频移值激增，则判定裂缝已经延伸到该圈应变监测光纤段，裂缝的长度就是该圈应变监测光纤段的半径。

而且，假设混凝土锈胀开裂后，裂缝处光纤应变急剧增大，其余位置光纤所测混凝土应变相比裂缝处可忽略不计。故该圈应变监测光纤段的裂缝宽度为w，则光纤应变为：

式中ε为光纤应变，ΔL为裂缝处光纤伸长值(即裂缝宽度w)，L为光纤标距(即空间分辨率dz，因为裂缝处光纤的应变剧增仅存在空间分辨率范围内)。

由该公式可知，光纤应变ε乘以空间分辨率dz所得的值，就是裂缝宽度w。

而应变值ε也是可求的，即利用发生激增的空间分辨率dz对应的布里渊频移值减去相邻的未发生激增的空间分辨率dz对应的布里渊频移值，所得的布里渊频移值的差值就是完全由于裂缝应变引发的频移，再将该差值除以应变比例系数，最后就能得到裂缝应变值ε。

因此，钢筋混凝土锈裂以后，可根据测得光纤应变值和仪器空间分辨率推算锈胀裂缝宽度值。

本发明基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的监测装置及方法与现有技术相比，具有以下优点和有益效果。

由于上一段的分析可知，利用该装置及该方法，能准确获知裂缝的宽度及裂缝从中央向混凝土断面的边缘延伸的程度，实现对混凝土锈胀开裂的全过程的完整的跟踪监测，更能准确预测裂缝何时会完全开裂，故能极具针对性的对有可能发展成有害裂缝的状况预先作出专门的处理措施，如采用电化学除氯的方法控制混凝土内部的氯离子浓度，从而有效防止锈胀裂缝的进一步开裂。

作为改进，该装置还包括一根布拉格光栅光纤和一个布拉格解调仪，布拉格光栅光纤的两端与布拉格解调仪连接，布拉格光栅光纤与全部应变监测光纤段位于钢筋混凝土结构的同一个断面上，布拉格光栅光纤在钢筋混凝土结构的中央的钢筋外盘绕一圈，该圈布拉格光栅光纤上沿周向均匀分布有多个光栅。

利用该装置，可实现以下方法，布拉格解调仪上会形成布拉格光栅光纤上的各个光栅对应的入射光中心波长的图像，观测该图像，一旦两个相邻光栅处的中心波长出现显著降低，则判定裂缝的位置是在两个光栅之间的角度中。

该监测装置及方法的原理为：布拉格光栅光纤上的各个光栅的折射率是明显不同的，这样，在各个光栅处入射光的中心波长也是各自不同的，这样，在布拉格解调仪上显示的每个不同的光栅的中心波长是明显不同的，这就起到了标记节点的作用，人们能很方便的通过中心波长识别出该中心波长对应的是具体哪一个光栅节点；而且，中心波长会受到应变的影响，当两个光栅之间出现裂缝时，裂缝会造成该位置的混凝土应力释放，从而导致应变显著减少，所以，当两个相邻光栅的中心波长同时显著降低，就表明裂缝位于两个相邻光栅之间；况且，所有光栅是沿着该圈布拉格光栅光纤的周向均匀分布的，这样，就形成了类似表盘刻度的结构，通过发生波长显著降低的两个光栅找出对应刻度，就能很清晰的监测出裂缝的角度。比如该圈布拉格光栅光纤均布有十二个光栅，第五个和第六个光栅发现波长激增，则判定裂缝是沿着断面的五点到六点之间的方向延伸的。通过判定裂缝延伸的方向，能很清晰的推断最终裂缝出现的位置是在梁侧面还是梁底面，是否为有害裂缝，如果推断裂缝将出现在梁底面，则必须提前进行电化学除氯处理，避免有害裂缝进一步开裂。

附图说明

图1是本发明基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的监测装置的布里渊光纤展开后的结构示意图。

图2是本发明基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的监测装置在混凝土结构的断面上的剖视结构示意图。

图3是本发明基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的监测方法在布里渊解调仪上显示的关于布里渊光纤的长度以及该长度对应的布里渊频移值的函数关系示意图。

图4是本发明基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的监测方法在布拉格解调仪上显示的关于布拉格光栅光纤上的各个光栅对应的入射光中心波长的示意图。

图中所示1、布里渊光纤，2、布里渊解调仪，3、应变监测光纤段，4、温度补偿光纤段，5、环氧树脂保护块，6、布拉格光栅光纤，7、布拉格解调仪，8、钢筋。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的监测装置，它包括一根布里渊光纤1和一个布里渊解调仪2，布里渊光纤1的两端与布里渊解调仪2连接。布里渊光纤1由多段应变监测光纤段3和多段温度补偿光纤段4交替连接而成，具体的说，该布里渊光纤1由第一段应变监测光纤段3、温度补偿光纤段4、第二段应变监测光纤段3、温度补偿光纤段4、第三段应变监测光纤段3、温度补偿光纤段4……第n段应变监测光纤段3、温度补偿光纤段4依次连接而成。每段温度补偿光纤段4浇注在一个环氧树脂保护块5内，多段应变监测光纤段3均位于钢筋混凝土结构的同一个断面上，每段应变监测光纤段3在钢筋混凝土结构的中央的钢筋8外盘绕一圈，全部的应变监测光纤段3均同心且全部的应变监测光纤段3浇注在混凝土内。最里面一圈应变监测光纤段3的长度等于一个空间分辨率dz的长度，从内向外每圈应变监测光纤段3的长度比里面一圈应变监测光纤段3的长度多一个空间分辨率dz的长度，也就是说，从里往外数，第一段应变监测光纤段3长度为一个空间分辨率dz的长度，第二段应变监测光纤段3长度为两个空间分辨率dz的长度，第三段应变监测光纤段3长度为三个空间分辨率dz的长度……第n段应变监测光纤段3长度为n个空间分辨率dz的长度。当然，全部的环氧树脂保护块5也浇注在混凝土内。

该监测装置还包括一根刻有布拉格光栅的传感光纤(简称布拉格光栅光纤6)和一个布拉格解调仪7，布拉格光栅光纤6的两端与布拉格解调仪7连接。布拉格光栅光纤6与全部应变监测光纤段3位于钢筋混凝土结构的同一个断面上，布拉格光栅光纤6在钢筋混凝土结构的中央的钢筋8外盘绕一圈，该圈布拉格光栅光纤6上沿周向均匀分布有多个光栅。

本发明基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的监测方法，其步骤包括：观察布里渊解调仪2上各个应变监测光纤段3的图像，当某圈应变监测光纤段3的某个空间分辨率dz对应的布里渊频移值激增，如第三圈应变监测光纤段3的最中间一个空间分辨率dz对应的布里渊频移值激增，则用该空间分辨率dz对应的布里渊频移值减去未发生激增的空间分辨率dz对应的布里渊频移值，所得的布里渊频移值的差值除以应变比例系数，得到应变监测光纤段3的应变值，最后将该应变值乘以空间分辨率dz得出的值就是该圈应变监测光纤段3上裂缝的宽度，同时判定裂缝已经延伸到该圈应变监测光纤段3，也就是说，该裂缝的长度为该圈应变监测光纤段3的半径，更具体的说，最外面一圈发生布里渊频移值激增的应变监测光纤段3的半径就是裂缝的长度。如图3所示，该示意图中，从内往外，第一圈应变监测光纤段3的唯一一个空间分辨率dz对应的布里渊频移值激增，第二圈应变监测光纤段3的右边一个空间分辨率dz对应的布里渊频移值激增，第三圈应变监测光纤段3的中间一个空间分辨率dz对应的布里渊频移值激增，从图中可以判定裂缝已经延伸到第三圈应变监测光纤段3。

该监测方法还包括以下步骤：布拉格解调仪7上会形成布拉格光栅光纤6上的各个光栅对应的入射光中心波长的图像，观测该图像，一旦两个相邻光栅处的中心波长出现显著降低，则判定裂缝的位置是在两个光栅之间的角度中。如图4所示，该布拉格光栅光纤6一共有十二个光栅，只有第五个和第六个两个光栅的中心波长相对于各自的初始状态(即虚线部分)出现了显著降低，则该裂缝的角度是150度到180度之间。

Claims (4)

1.一种基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的监测装置，它包括一根布里渊光纤(1)和一个布里渊解调仪(2)，布里渊光纤(1)的两端与布里渊解调仪(2)连接，其特征在于：布里渊光纤(1)由多段应变监测光纤段(3)和多段温度补偿光纤段(4)交替连接而成，每段温度补偿光纤段(4)浇注在一个环氧树脂保护块(5)内，多段应变监测光纤段(3)均位于钢筋混凝土结构的同一个断面上，每段应变监测光纤段(3)在钢筋混凝土结构的中央的钢筋(8)外盘绕一圈，全部的应变监测光纤段(3)均同心且全部的应变监测光纤段(3)浇注在混凝土内，最里面一圈应变监测光纤段(3)的长度等于一个空间分辨率dz的长度，从内向外每圈应变监测光纤段(3)的长度比里面一圈应变监测光纤段(3)的长度多一个空间分辨率dz的长度。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的监测装置，其特征在于：它还包括一根布拉格光栅光纤(6)和一个布拉格解调仪(7)，布拉格光栅光纤(6)的两端与布拉格解调仪(7)连接，布拉格光栅光纤(6)与全部应变监测光纤段(3)位于钢筋混凝土结构的同一个断面上，布拉格光栅光纤(6)在钢筋混凝土结构的中央的钢筋(8)外盘绕一圈，该圈布拉格光栅光纤(6)上沿周向均匀分布有多个光栅。

3.一种基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的监测方法，其使用如权利要求1所述的基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的监测装置，其特征在于：观察布里渊解调仪(2)上各个应变监测光纤段(3)的图像，当某圈应变监测光纤段(3)的某个空间分辨率dz对应的布里渊频移值激增，则用该空间分辨率dz对应的布里渊频移值减去未发生激增的空间分辨率dz对应的布里渊频移值，所得的布里渊频移值的差值除以应变比例系数，得到应变监测光纤段(3)的应变值，最后将该应变值乘以空间分辨率dz得出的值就是该圈应变监测光纤段(3)上裂缝的宽度，同时判定裂缝已经延伸到该圈应变监测光纤段(3)。

4.根据权利要求3所述的基于光纤传感的钢筋混凝土锈胀开裂的监测方法，其特征在于：布拉格解调仪(7)上会形成布拉格光栅光纤(6)上的各个光栅对应的入射光中心波长的图像，观测该图像，一旦两个相邻光栅处的中心波长出现显著降低，则判定裂缝的位置是在两个光栅之间的角度中。