CN110763729A - 一种基于分布式光纤的预应力管道压浆缺陷定量评估方法 - Google Patents

Abstract

一种基于分布式光纤的预应力管道压浆缺陷定量评估方法，属于工程结构检测领域。该方法预先将加热型分布式光纤传感器布设于预应力管道内部，连续采集加热后传感器的温度数据，通过温度数据的异常情况便可以实现压浆缺陷的识别和定位。进一步地，绘制光纤传感器温度分布曲线，提取曲线上温度异常长度，实现缺陷长度的定量评估；提取缺陷处管道截面进行分析，推导截面的等效导热系数与缺陷高度的对应关系，通过温度数据计算各截面的等效导热系数，实现缺陷高度的定量评估。该方法可以准确判断钢绞线是否因为处于易锈蚀环境中，进而降低结构性能，为预应力混凝土结构施工和运营提供了保障。

Description

一种基于分布式光纤的预应力管道压浆缺陷定量评估方法

技术领域

本发明涉及一种基于分布式光纤的预应力管道压浆缺陷定量评估方法，属于工程结构检测技术领域，具体来说是采用预应力后张法施工的结构或构件在预应力管道压浆后，采用分布式光纤传感器测温技术对其内部压浆缺陷进行检测和定量评估的一种方法。

背景技术

预应力混凝土结构的施工方法主要分为先张法和后张法两种，先张法适用于跨径较小的工程；后张法的适用范围更为广泛，包括大跨径连续梁桥、连续刚构和预应力混凝土斜拉桥等。后张法预应力混凝土结构在施工时，在所要施加预应力的位置需要预埋预应力管道，混凝土浇筑结束并达到设计强度后，将预应力钢绞线穿过预应力管道并进行张拉，最后向预应力管道内注满水泥浆体，保证预应力钢绞线处于不易腐蚀的环境，并使钢绞线与混凝土粘结成整体。然而，在实际注浆过程中，由于浆体配比不合理、排气孔和泌浆孔的位置设置不当等，常常会导致在预应力管道中产生压浆缺陷。处于压浆缺陷中的钢绞线，在长期水蒸气的侵蚀之下，极易锈蚀，使得结构的承载能力降低，甚至可能会发生坍塌事故。

在过去几十年，因为预应力管道内产生压浆缺陷，导致钢绞线遭受锈蚀，进而造成整个混凝土结构坍塌的事故不在少数。英国南威尔士的Ynys-y-Gwas桥于1985年12月4日在毫无征兆的情况下突然坍塌，调查发现事故的主要原因是该桥钢绞线在混凝土节段连接部位严重腐蚀。除此之外，还有比利时的Melle Bridge桥、英国汉普郡的Bickton Meadows人行桥和美国的Lowe’s Motor Speedway人行桥均存在压浆缺陷而发生过严重事故。因此，对预应力管道的压浆密实度进行检测十分有必要。

现有的预应力管道压浆缺陷检测方法主要有冲击回波法、超声波法和探地雷达法等。这些方法均为激发信号波穿入待检测结构内部的方式，对结构表面平整度、结构厚度、结构内部钢筋分布、预应力管道材质和埋深等检测环境要求很高，适用性较差。另外，在实际工程检测中，我们无法事先预知压浆缺陷存在位置，对于点式检测方法，则需要在结构表面或者侧面设置大量测点并逐一检测，效率普遍较低，而且对于大型结构测点的密集程度也难以保证，缺陷漏检的现象较为普遍。更为重要的是，目前这些方法仅能够做到将预应力管道内压浆缺陷识别出来，不能实现压浆缺陷长度和高度的定量评估，这就不能判断压浆缺陷对于钢绞线以及预应力结构的影响程度，难以满足实际工程检测的需要。

本发明针对此问题，提出采用加热型分布式光纤传感器对预应力管道压浆缺陷进行定量评估的方法。通过分析管道沿程温度数据，可以准确判定整根预应力管道内部是否存在压浆缺陷，并且可以将压浆缺陷精准定位，以及定量评估压浆缺陷的长度和高度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于分布式光纤的预应力管道压浆缺陷定量评估方法，通过将加热型分布式光纤传感器布设于预应力管道内部，分析加热后加热型分布式光纤传感器的温度数据，实现压浆缺陷的识别和定位；进一步研究压浆缺陷长度和高度对加热型分布式光纤传感器上分布式温度变化规律的影响，实现压浆缺陷尺寸的定量评估。解决预应力结构实际施工过程中压浆缺陷尺寸难以定量评估，无法判断钢绞线是否处于易锈蚀环境中的问题。

本发明的技术方案是：一种基于分布式光纤的预应力管道压浆缺陷定量评估方法，采用下列步骤：

第一步、加热型分布式光纤传感器的制作，将传感光纤置于细管中，在细管外螺旋缠绕加热丝，最外层包裹塑料护套，使得光纤传感器同时具有加热和分布式温度测量的功能；

第二步、加热型分布式光纤传感器的布设，采用强力胶将金属线卡按照一定间隔粘结于钢绞线顶部，将加热型分布式光纤传感器穿过线卡与钢绞线固定在一起，并且在加热型分布式光纤传感器与线卡之间留有空隙，防止在张拉钢绞线过程中对加热型分布式光纤传感器造成损坏，将固定有加热型分布式光纤传感器的钢绞线穿入预应力管道内部，同时将加热型分布式光纤传感器从预应力管道两侧的排气孔引出；

第三步、预应力管道分布式温度数据的采集，将加热丝与调压器连接通电，将传感光纤与数据采集仪器连接，连续采集加热过程中加热型分布式光纤传感器的温度数据；

第四步、压浆缺陷的识别和定位，将采集的温度数据绘制加热型分布式光纤传感器温度分布曲线，因为压浆缺陷与水泥浆体的热学性质不同，因此在压浆缺陷位置会产生明显的温度异常，根据温度分布曲线上的温度异常，即可以实现压浆缺陷的识别和定位；

第五步、压浆缺陷长度L的定量评估，因为加热型分布式光纤传感器沿纵向布设于预应力管道内部，即加热型分布式光纤传感器长度方向与缺陷长度L方向一致，所以压浆缺陷长度L与加热型分布式光纤传感器温度分布曲线上温度异常长度L_d成线性相关，根据温度异常长度L_d即可以实现压浆缺陷长度L的定量评估；

第六步、预应力管道截面的提取，因为加热型分布式光纤传感器长度方向上加热功率均匀，所以热量不会沿加热型分布式光纤传感器长度方向传递，仅会沿着预应力管道截面方向流动，将缺陷位置的预应力管道截面提取出来进行平面热传递分析；平面的半径为R，加热型分布式光纤传感器位于平面中心，距预应力管道顶端的距离为d，压浆缺陷高度用h表示；

第七步、平面等效导热系数λ_e与压浆缺陷高度h关系的构建，对于上述预应力管道平面，加热型分布式光纤传感器位于平面中心，近似认为热量由中心沿径向向外流动，将该平面划分成n个微小热流单元，取θ方向的第i个热流单元进行传热分析；

因为压浆缺陷空腔体积较小，空气封闭难以流通，所以忽略空气中热对流及空气与其他物质之间对流换热的影响，仅仅按照固体热传导考虑；由等效热阻法可知，等效导热系数可以用来评估非均质热流单元的传热性能；比如，对于θ方向的第i个热流单元，其等效导热系数可以表示为

其中，λ_ss、λ_a、λ_cs和λ_c分别为钢绞线、压浆缺陷、水泥浆体和混凝土的导热系数，L_ss、L_a、L_cs和L_c分别为钢绞线、压浆缺陷、水泥浆体和混凝土沿热流传递方向的长度，R为传热平面的半径；

由上式可知，对于不同角度的热流单元，其等效导热系数λ_e ⁱ(θ)仅与热流单元中各物质的长度L_ss、L_a、L_cs、L_c相关，而预应力管道平面显示，各物质的长度L_ss、L_a、L_cs、L_c与压浆缺陷高度h、热流单元的角度θ相关，若将预应力管道平面上所有的热流单元进行积分取均值，便可以得到该平面的等效导热系数λ_e与缺陷高度h的对应关系；

第八步、平面等效导热系数λ_e的获取，对于预应力管道平面，热量沿着径向从加热型分布式光纤传感器向外流动，径向热传导方程可表示为

其中，ΔT(r,t)为温升值/℃，r为平面上任意位置距离分布式光纤传感器的径向距离/m，t为加热时间/s，a_e为平面等效热扩散系数/(m²·s^-1)，a_e(x)＝λ_e(x)/ρ_e(x)C_e(x)，λ_e为平面等效导热系数/(W·m^-1·℃^-1)，ρ_e为平面等效密度/(kg·m^-3)，C_e为平面等效比热容/(J·kg^-1·℃^-1)；

热传导方程的初始条件和边界条件如下：

ΔT(r,t)＝0,t≤0

其中，q为单位长度加热型分布式光纤传感器的加热功率，可自行设定；

运用拉普拉斯变换对热传导方程求解，已知加热型分布式光纤传感器是直径比较小的圆柱体，当加热时间t足够长时，加热型分布式光纤传感器的表面温升为

其中，r₀为加热型分布式光纤传感器的直径；

因为加热型分布式光纤传感器的直径较小，因此其表面温度ΔT(r₀,t)即为传感器测量得到的温度；从上式可以看出，加热型分布式光纤传感器所测温度ΔT(r₀,t)与加热时间的对数lnt成线性关系，并且其斜率为q/4πλ_e；第三步已经采集得到加热过程中加热型分布式光纤传感器的温度数据，因此可以通过计算得到斜率q/4πλ_e，而加热功率q是自行设定的，为已知值，因此可以计算得到平面的等效导热系数λ_e；

第九步、压浆缺陷高度的定量评估，将第八步计算得到的平面的等效导热系数λ_e代入第七步中的平面等效导热系数与压浆缺陷高度的关系曲线，即可以得到压浆缺陷的高度h。

所述加热型分布式光纤传感器是温度传感器。

所述预应力管道包括塑料波纹管和金属波纹管。

所述数据采集仪器包括适用于单模和多模传感光纤的基于布里渊散射、拉曼散射和瑞利散射的各种分布式光纤数据采集仪器。

本发明的有益效果是：这种基于分布式光纤的预应力管道压浆缺陷定量评估方法，需要预先设计加热型分布式光纤传感器，并且将其布设于预应力管道内部，通过加热丝对传感器进行加热，采集升温过程中加热型分布式光纤传感器的分布式温度数据。通过识别加热型分布式光纤传感器温度分布曲线上的温度异常，便可以实现压浆缺陷的识别和定位，该方法可以实现压浆缺陷的分布式检测，一次测量便可以实现对整根预应力管道的测量，检测效率高，克服了传统点式检测方法一次测量仅能检测一个点的弊端。进一步地，研究压浆缺陷长度和高度对加热型分布式光纤传感器上分布式温度变化规律的影响，实现压浆缺陷尺寸的定量评估。不仅可以判断管道中是否存在压浆缺陷，还可以定量评估压浆缺陷的长度和高度，判断钢绞线是否处于压浆缺陷中，即判断钢绞线是否处于易锈蚀环境中而降低结构各方面性能。

附图说明：

图1是加热型分布式光纤传感器布设以及仪器连接示意图。

图2是加热型分布式光纤传感器结构示意图。

图3是加热型分布式光纤传感器与钢绞线连接装置示意图。

图4是加热型分布式光纤传感器温度分布示意图。

图5是所提取的预应力管道截面。

图6是平面等效导热系数与压浆缺陷高度的关系曲线。

图中：1、加热型分布式光纤传感器，2、传感光纤，3、细管，4、加热丝，5、塑料护套，6、预应力管道，7、钢绞线，8、线卡，9、压浆缺陷，10、排气孔，11、水泥浆体，12、混凝土，13、数据采集仪器，14、调压器，15、温度异常，16、热流单元。

具体实施方案：

图1至图6出示了一种基于分布式光纤的预应力管道压浆缺陷定量评估方法示意图。这种基于分布式光纤的预应力管道压浆缺陷定量评估方法包括下列步骤：

第一步、加热型分布式光纤传感器1的制作，将传感光纤2置于细管3中，在细管3外螺旋缠绕加热丝4，最外层包裹塑料护套5，使得光纤传感器同时具有加热以及分布式温度测量的功能；

第二步、加热型分布式光纤传感器1的布设，采用强力胶将金属线卡8按照一定间隔粘结于钢绞线7顶部，将加热型分布式光纤传感器1穿过线卡8与钢绞线7固定在一起，并且在加热型分布式光纤传感器1与线卡8之间留有空隙，防止在张拉钢绞线7过程中对加热型分布式光纤传感器1造成损坏，将固定有加热型分布式光纤传感器1的钢绞线7穿入预应力管道6内部，同时将加热型分布式光纤传感器1从预应力管道两侧的排气孔10引出；

第三步、预应力管道6分布式温度数据的采集，将加热丝4与调压器14连接通电，将传感光纤2与数据采集仪器13连接，连续采集加热过程中加热型分布式光纤传感器1的温度数据；

第四步、压浆缺陷9的识别和定位，将采集的温度数据绘制加热型分布式光纤传感器温度分布曲线，如图4所示，因为压浆缺陷(空气)9与水泥浆体11的热学性质不同，因此在压浆缺陷9位置会产生明显的温度异常15，根据温度分布曲线上的温度异常15，即可以实现压浆缺陷9的识别和定位；

第五步、压浆缺陷长度的定量评估，因为加热型分布式光纤传感器1沿纵向布设于预应力管道6内部，即加热型分布式光纤传感器1长度方向与缺陷长度方向一致，所以压浆缺陷长度与加热型分布式光纤传感器温度分布曲线上温度异常长度成线性相关，根据温度异常长度即可以实现压浆缺陷长度的定量评估；

第六步、预应力管道6截面的提取，因为加热型分布式光纤传感器1长度方向上加热功率均匀，所以热量不会沿加热型分布式光纤传感器1长度方向传递，仅会沿着预应力管道6截面方向流动，将压浆缺陷(空气)9位置的预应力管道6截面提取出来进行平面热传递分析，如图5所示，其特征在于：平面的半径为R，加热型分布式光纤传感器位于平面中心，距预应力管道6顶端的距离为d，压浆缺陷9高度用h表示。

第七步、平面等效导热系数与压浆缺陷高度关系的构建，对于上述预应力管道平面，加热型分布式光纤传感器1位于平面中心，近似认为热量由中心沿径向向外流动，将该平面划分成n个微小热流单元，取θ方向的第i个热流单元16进行传热分析。

因为压浆缺陷9空腔体积较小，空气封闭难以流通，所以忽略空气中热对流及空气与其他物质之间对流换热的影响，仅仅按照固体热传导考虑。由等效热阻法可知，等效导热系数可以用来评估非均质热流单元的传热性能。比如，对于θ方向的第i个热流单元16，其等效导热系数可以表示为

其中，λ_ss、λ_a、λ_cs和λ_c分别为钢绞线7、压浆缺陷(空气)9、水泥浆体11和混凝土12的导热系数，L_ss、L_a、L_cs和L_c分别为钢绞线7、压浆缺陷(空气)9、水泥浆体11和混凝土12沿热流传递方向的长度，R为传热平面的半径。

由上式可知，对于不同角度的热流单元，其等效导热系数λ_e ⁱ(θ)仅与热流单元中各物质的长度L_ss、L_a、L_cs、L_c相关，而预应力管道平面显示，各物质的长度L_ss、L_a、L_cs、L_c与压浆缺陷高度h、热流单元的角度θ相关，若将预应力管道平面上所有的热流单元进行积分取均值，便可以得到该平面的等效导热系数λ_e与缺陷高度h的对应关系，如图6所示。

第八步、平面等效导热系数的获取，对于预应力管道平面，热量沿着径向从加热型分布式光纤传感器1向外流动，径向热传导方程可表示为

其中，ΔT(r,t)为温升值/℃，r为平面上任意位置距离分布式光纤传感器1的径向距离/m，t为加热时间/s，a_e为平面等效热扩散系数/(m²·s^-1)，a_e(x)＝λ_e(x)/ρ_e(x)C_e(x)，λ_e为平面等效导热系数/(W·m^-1·℃^-1)，ρ_e为平面等效密度/(kg·m^-3)，C_e为平面等效比热容/(J·kg^-1·℃^-1)。

热传导方程的初始条件和边界条件如下：

ΔT(r,t)＝0,t≤0

其中，q为单位长度加热型分布式光纤传感器1的加热功率，可自行设定。

运用拉普拉斯变换对热传导方程求解，已知加热型分布式光纤传感器1是直径比较小的圆柱体，当加热时间t足够长时，加热型分布式光纤传感器1的表面温升为

其中，r₀为加热型分布式光纤传感器1的直径。

因为加热型分布式光纤传感器1的直径较小，因此其表面温度ΔT(r₀,t)即为传感器测量得到的温度。从上式可以看出，加热型分布式光纤传感器1所测温度ΔT(r₀,t)与加热时间的对数lnt成线性关系，并且其斜率为q/4πλ_e。第三步已经采集得到加热过程中加热型分布式光纤传感器1的温度数据，因此可以得到斜率q/4πλ_e，而加热功率q是自行设定的，为已知值，因此可以计算得到平面的等效导热系数λ_e。

第九步、压浆缺陷高度的定量评估，将第八步计算得到的平面的等效导热系数λ_e代入第七步中的平面等效导热系数与压浆缺陷高度的关系曲线，即可以得到压浆缺陷的高度h。

所述加热型分布式光纤传感器1是温度传感器。

所述预应力管道6包括塑料波纹管和金属波纹管。

所述数据采集仪器13包括适用于单模和多模传感光纤的基于布里渊散射、拉曼散射和瑞利散射的各种分布式光纤数据采集仪器。

本发明所提出的基于分布式光纤的预应力管道压浆缺陷定量评估方法，通过将加热型分布式光纤传感器布设于预应力管道内部，分析加热后加热型分布式光纤传感器的温度数据，实现压浆缺陷的识别和定位；进一步地，研究压浆缺陷长度和高度对加热型分布式光纤传感器上分布式温度变化规律的影响，实现压浆缺陷尺寸的定量评估。不仅可以判断管道中是否存在压浆缺陷，还可以定量评估压浆缺陷的长度和高度，判断钢绞线是否处于压浆缺陷中，即判断钢绞线是否处于易锈蚀环境中而降低结构各方面性能，为预应力混凝土结构施工提供了有效保障。

Claims (4)

1.一种基于分布式光纤的预应力管道压浆缺陷定量评估方法，其特征在于：采用下列步骤：

第一步、加热型分布式光纤传感器(1)的制作，将传感光纤(2)置于细管(3)中，在细管(3)外螺旋缠绕加热丝(4)，最外层包裹塑料护套(5)，使得光纤传感器同时具有加热和分布式温度测量的功能；

第二步、加热型分布式光纤传感器(1)的布设，采用强力胶将金属线卡(8)按照一定间隔粘结于钢绞线(7)顶部，将加热型分布式光纤传感器(1)穿过线卡(8)与钢绞线(7)固定在一起，并且在加热型分布式光纤传感器(1)与线卡(8)之间留有空隙，防止在张拉钢绞线(7)过程中对加热型分布式光纤传感器(1)造成损坏，将固定有加热型分布式光纤传感器(1)的钢绞线(7)穿入预应力管道(6)内部，同时将加热型分布式光纤传感器(1)从预应力管道两侧的排气孔(10)引出；

第三步、预应力管道(6)分布式温度数据的采集，将加热丝(4)与调压器(14)连接通电，将传感光纤(2)与数据采集仪器(13)连接，连续采集加热过程中加热型分布式光纤传感器(1)的温度数据；

第四步、压浆缺陷(9)的识别和定位，将采集的温度数据绘制加热型分布式光纤传感器温度分布曲线，因为压浆缺陷(9)与水泥浆体(11)的热学性质不同，因此在压浆缺陷(9)位置会产生明显的温度异常(15)，根据温度分布曲线上的温度异常(15)，即可以实现压浆缺陷(9)的识别和定位；

第五步、压浆缺陷长度L的定量评估，因为加热型分布式光纤传感器(1)沿纵向布设于预应力管道(6)内部，即加热型分布式光纤传感器(1)长度方向与缺陷长度L方向一致，所以压浆缺陷长度L与加热型分布式光纤传感器温度分布曲线上温度异常长度L_d成线性相关，根据温度异常长度L_d即可以实现压浆缺陷长度L的定量评估；

第六步、预应力管道(6)截面的提取，因为加热型分布式光纤传感器(1)长度方向上加热功率均匀，所以热量不会沿加热型分布式光纤传感器(1)长度方向传递，仅会沿着预应力管道(6)截面方向流动，将缺陷(9)位置的预应力管道(6)截面提取出来进行平面热传递分析；平面的半径为R，加热型分布式光纤传感器位于平面中心，距预应力管道(6)顶端的距离为d，压浆缺陷(9)高度用h表示；

第七步、平面等效导热系数λ_e与压浆缺陷高度h关系的构建，对于上述预应力管道平面，加热型分布式光纤传感器(1)位于平面中心，近似认为热量由中心沿径向向外流动，将该平面划分成n个微小热流单元，取θ方向的第i个热流单元(16)进行传热分析；

因为压浆缺陷(9)空腔体积较小，空气封闭难以流通，所以忽略空气中热对流及空气与其他物质之间对流换热的影响，仅仅按照固体热传导考虑；由等效热阻法可知，等效导热系数可以用来评估非均质热流单元的传热性能；比如，对于θ方向的第i个热流单元(16)，其等效导热系数可以表示为

其中，λ_ss、λ_a、λ_cs和λ_c分别为钢绞线(7)、压浆缺陷(9)、水泥浆体(11)和混凝土(12)的导热系数，L_ss、L_a、L_cs和L_c分别为钢绞线(7)、压浆缺陷(9)、水泥浆体(11)和混凝土(12)沿热流传递方向的长度，R为传热平面的半径；

由上式可知，对于不同角度的热流单元，其等效导热系数λ_e ⁱ(θ)仅与热流单元中各物质的长度L_ss、L_a、L_cs、L_c相关，而预应力管道平面显示，各物质的长度L_ss、L_a、L_cs、L_c与压浆缺陷高度h、热流单元的角度θ相关，若将预应力管道平面上所有的热流单元进行积分取均值，便可以得到该平面的等效导热系数λ_e与缺陷高度h的对应关系；

第八步、平面等效导热系数(λ_e)的获取，对于预应力管道平面，热量沿着径向从加热型分布式光纤传感器(1)向外流动，径向热传导方程可表示为

其中，ΔT(r,t)为温升值/℃，r为平面上任意位置距离分布式光纤传感器(1)的径向距离/m，t为加热时间/s，a_e为平面等效热扩散系数/(m²·s^-1)，a_e(x)＝λ_e(x)/ρ_e(x)C_e(x)，λ_e为平面等效导热系数/(W·m^-1·℃^-1)，ρ_e为平面等效密度/(kg·m^-3)，C_e为平面等效比热容/(J·kg^-1·℃^-1)；

热传导方程的初始条件和边界条件如下：

ΔT(r,t)＝0,t≤0

其中，q为单位长度加热型分布式光纤传感器(1)的加热功率，可自行设定；

运用拉普拉斯变换对热传导方程求解，已知加热型分布式光纤传感器(1)是直径比较小的圆柱体，当加热时间t足够长时，加热型分布式光纤传感器(1)的表面温升为

其中，r₀为加热型分布式光纤传感器(1)的直径；

因为加热型分布式光纤传感器(1)的直径较小，因此其表面温度ΔT(r₀,t)即为传感器测量得到的温度；从上式可以看出，加热型分布式光纤传感器(1)所测温度ΔT(r₀,t)与加热时间的对数lnt成线性关系，并且其斜率为q/4πλ_e；第三步已经采集得到加热过程中加热型分布式光纤传感器(1)的温度数据，因此可以通过计算得到斜率q/4πλ_e，而加热功率q是自行设定的，为已知值，因此可以计算得到平面的等效导热系数λ_e；

第九步、压浆缺陷高度(h)的定量评估，将第八步计算得到的平面的等效导热系数λ_e代入第七步中的平面等效导热系数与压浆缺陷高度的关系曲线，即可以得到压浆缺陷的高度h。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤的预应力管道压浆缺陷定量评估方法，其特征在于：所述加热型分布式光纤传感器(1)是温度传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤的预应力管道压浆缺陷定量评估方法，其特征在于：所述预应力管道(6)包括塑料波纹管和金属波纹管。

4.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤的预应力管道压浆缺陷定量评估方法，其特征在于：所述数据采集仪器(13)包括适用于单模和多模传感光纤的基于布里渊散射、拉曼散射和瑞利散射的各种分布式光纤数据采集仪器。

Images