一种基于分布式光纤技术的大体积混凝土裂缝监测方法

摘要

一种基于分布式光纤技术的大体积混凝土裂缝监测方法，采用悬挂S型吊环方式固定光纤，并从混凝土形心向边缘呈辐射状布设光纤，通过钢筋混凝土梁三等分加载模型，选用5mm钢绞线光缆作为监测用光纤，光纤解调仪选用布里渊光时域反射仪；光纤布设完成后建立监测站，使用AV6419光纤解调仪连接布设完毕的光纤，形成监测场，实时监测混凝土内部产生的裂缝情况；根据监测到的布里渊散射频移量，计算出光纤各部位应变和温度量；通过得到的光纤应变数据，计算裂缝宽度，从而进一步判断裂缝的发育程度，提出相应的裂缝控制措施。该监测方法不仅能满足大范围监测的要求，又能大大提高测量的精度，测量成本也大幅度降低，可省去复杂的人工采集数据过程，操作简便经济可行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于分布式光纤技术的大体积混凝土裂缝监测方法。该监测方法既能够满足分布式光纤传感技术对于提取大范围测量场信息能力的要求，形成大体积混凝土监测场，又能够对大体积混凝土凝固及养护过程中产生的裂缝进行实时监测，还可以极大地避免混凝土水化热现象对监测数据的影响，与需要大量人力物力的传统监测相比，能够大幅提高自动化监测程度和监测精确度，实现实时、精确的监测，而且能够节约大量成本。

背景技术

大体积混凝土在浇筑后，由于其结构尺寸过大，水化热现象会进一步加剧，因而更容易出现温度裂缝问题。裂缝的存在会破坏混凝土结构的完整性，引起混凝土结构内部应力状态的急剧恶化，更有可能导致混凝土结构断裂或垮塌，从而形成严重危害建筑安全的问题。因此，可靠的裂缝监测与控制方法是工程施工和结构健康监测中不可缺少的环节，也一直是工程和学术界不断探讨的热点问题。

目前，针对于大体积混凝土裂缝的监测方法主要有裂缝宽度比对卡法、裂缝显微镜法、超声波检测法、红外检测法等。这类常用的检测和监测技术虽然能在一定程度上满足工程中在常规条件下的检测或监测需求，但是也存在以下不足：(1)裂缝宽度比对卡法虽然使用起来较为简单，但只能用来粗测，测试的精度较低；(2)裂缝显微镜法和超声波检测法的精度较高，但测试速度较慢，测试的强度及耗费的人力物力较大，而且获取的数据容易存在较大的人为采集误差；(3)红外检测法需要对检测部位进行加热，对监测人员的技术方面要求较高。

现有的常规检测方法，往往只能局限于对混凝土表面的裂缝进行检测，对于几何尺寸达到几十米甚至几百米的大体积混凝土往往无能为力，无法实现检测。而且，现有检测技术的实时、并行和自动化监测程度并不高，多为静态检测和单点检测的“检测”技术，而不是“监测”技术，无法对大体积混凝土内部的裂缝开裂演化情况进行全天候的实时监测。上述现有检测技术存在的不足，影响了人们在岩土工程灾害防治和安全生产实践中的正确判断和抗灾措施的实施。

分布式光纤传感技术作为一种新型监测技术，具有可以沿监测对象连续布置测点的优点，以及能够实现结构裂缝的全面、长期、实时自动监测的能力。因此，分布式光纤传感器在监测混凝土结构变形及裂缝的开展方面具有重大的工程应用价值，是新一代结构监测的重要工具。但是，对于大体积混凝土来说，由于其内部水化热现象剧烈，导致光纤监测到的数据也会产生一定幅度的波动，并且受混凝土流动性的影响，绑扎在钢筋上的光纤可能会监测不到变化。因此，亟需有效的技术和方法来弥补这些不足，以满足工程安全监测的要求。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的技术问题，本发明提供一种基于分布式光纤技术的大体积混凝土裂缝监测方法，以期实时、准确地监测混凝土在浇筑及养护过程中的开裂现象，并及时采取相应的裂缝控制措施。

本发明的基于分布式光纤技术的大体积混凝土裂缝监测方法，一方面，采用沿大体积混凝土内水化热最高的形心点成辐射状向水化热较低的边缘处布设光纤的方法；另一方面，由于早龄期混凝土流动性比较大，受带肋钢筋的影响，这个影响范围圆圈内的混凝土可能压缩受限制，导致直接绑扎在钢筋上的光纤所测得的数据与实际相比差别较大，因此本发明采用在钢筋网上吊设(悬挂)多个S型吊环，并把光纤吊出2-3倍钢筋直径范围的固定方式，使对筏板基础的应变和位移的监测更加准确。

具体地，本发明解决上述技术问题的技术方案为：

一种基于分布式光纤技术的大体积混凝土裂缝监测方法，依次包括以下步骤：

a.选择光纤固定方式：采用S型吊环悬挂固定方式固定光纤，在钢筋网上吊设(悬挂)多个S型吊环(或称为S型光纤悬挂装置)，把光纤吊出2-3倍钢筋直径的范围；

b.布设光纤：找出大体积混凝土水化热最高的形心点，再由形心点向水化热较低的边缘处成辐射状布设光纤，如此在大体积混凝土中分层布设多层光纤；

c.形成监测场：在每层光纤布设完成后，将该层的光纤与通信光缆进行法兰连接，再与光纤解调仪相连接，这样就组成了光纤监测系统，建立了大体积混凝土裂缝监测工作站，形成了监测场；

d.计算光纤应变量：当在待测的大体积混凝土中布设完光纤后，需要在待测物变形前先用仪器进行测试，获得光纤的初始应变曲线；当待测物产生微小形变Δx时，再由仪器测得光纤产生微小变形后的应变曲线，两条应变曲线相减得到应变差，即为光纤的实际应变量ε；

e.计算裂缝宽度：根据得到的光纤应变数据，计算裂缝宽度，计算公式为：

进一步地，本发明的方法中，根据监测到的布里渊散射频移量ν

本发明通过光纤的应变值大小来判断大体积混凝土内部的开裂情况。当光纤的应变值大于混凝土开裂的规范要求时，就认为内部出现了裂缝，可以根据光纤曲线中出现裂缝的位置，有针对性地采取措施进行控制。

进一步地，本发明的方法中，光纤解调仪选用布里渊光时域反射仪(BOTDR)。

进一步地，本发明的方法中，通过钢筋混凝土梁三等分加载模型，选用5mm钢绞线光纤作为监测用光纤。

进一步地，本发明的方法中，光纤选用金属基索状应变感测光纤，其包括依次从内向外的纤芯、纤芯护套、多股钢绞线和光纤护套，多股钢绞线沿圆周均匀分布在纤芯护套的外围。

本发明采用上述分布式光纤布设方法，比一般直线式布设时，在产生相同微小形变情况下，能够产生更大的应变差值量，从而能大幅度提高仪器的灵敏度和测量精度，同时减少混凝土水化热现象对监测数据准确度的影响。

经过改良后的方法，能够实时监测大体积混凝土在浇筑完成后混凝土内部的开裂变形演化情况，既能满足大范围监测的要求，又能大大提高测量的精度。

本发明的方法适用于大体积混凝土内部的裂缝监测，简便易行，可以做到实时监测混凝土浇筑及养护过程中开裂现象，并及时采取相应的裂缝控制措施，相比于传统的监测方法，分布式监测的精确度更高，能更好地避免由于混凝土水化热现象而对测量精度带来的影响，测量成本大幅度降低，同时可省去复杂的人工采集数据过程，操作简便经济可行，在本技术领域内具有广泛的实用性和应用前景。

附图说明

图1为本发明中分布式光纤在钢筋网中的S型弯钩固定方式示意图；

图2为本发明中分布式光纤布设平面图；

图3为本发明中分布式光纤布设立体图及光纤监测系统的示意图；

图4为金属基索状应变感测光纤的立体图；

图5为金属基索状应变感测光纤的剖面图。

图中：1-第一层光纤，2-第二层光纤，3-第三层光纤，4-光纤，5-通信光缆，6-S型吊环，7-光纤固定带，8-钢筋网，9-光纤护套，10-钢绞线，11-纤芯护套，12纤芯。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述和说明。

本发明的一种基于分布式光纤技术的大体积混凝土裂缝监测方法，依次包括以下步骤：

a.选择光纤固定方式：现有的光纤固定方式一般是将光纤直接绑扎在钢筋网8上。然而，因早龄期混凝土的流动性较大，这种普通的光纤固定方式会导致监测数据出现较大误差。为了避免此现象，本发明将光纤(传感光纤)的固定方式改变为S型吊环悬挂固定方式，在钢筋网8上吊设(悬挂)多个S型吊环6(或称为S型光纤悬挂装置)，把光纤4吊出2-3倍钢筋直径的范围，如图1所示。这种S型吊环悬挂固定方式，使得对筏板基础的应变和位移的监测更加准确。

b.布设光纤：通过技术手段找出大体积混凝土水化热最高的形心点O，再由形心点O向水化热较低的边缘处成辐射状布设光纤4，如图2所示。

以大体积混凝土分三层布设光纤为例，如图3所示。首先进行第一层光纤1的布设，将光纤4贴在从钢筋上吊出的S型吊环6上并用光纤固定带7将光纤4绑扎牢固，再沿着形心点O向边缘处辐射状布设光纤4。然后，依次进行第二层光纤2、第三层光纤3的布设，第二层光纤、第三层光纤的布设方式均与第一层光纤的布设方式相同。

c.形成监测场：如图3所示，在每层光纤布设完成后，将该层的光纤与通信光缆5进行法兰连接，再与AV6419光纤解调仪相连接。第二层、第三层与第一层相同。这样，就组成了光纤监测系统，建立了大体积混凝土裂缝监测工作站，形成了监测场。

d.计算光纤应变量：当在待测的大体积混凝土(待测物)中布设完光纤后，需要在待测物变形前先用仪器进行测试，获得光纤的初始应变曲线；当待测物产生微小形变Δx时，再由仪器测得光纤产生微小变形后的应变曲线，两条应变曲线相减得到应变差，即为光纤的实际应变量ε。

e.计算裂缝宽度：根据得到的光纤应变数据计算裂缝宽度，计算公式为

通过分布式光纤采集仪采集光纤的应变值，连接电脑后进行数据分析，通过光纤的应变值大小计算出裂缝宽度，从而判断大体积混凝土内部的开裂情况。当光纤的应变值大于混凝土开裂规范要求时，认为内部出现了裂缝，可根据光纤应变曲线中出现裂缝的位置来有针对性地采取措施进行控制。

本发明的方法中，当待测物产生微小形变Δx时，仪器上测得的对比图像会有应变差。Δx越大时，理论上测得的图像应变差越明显。应变差的区分程度，可用甄别度来定义。当甄别度较差时，可以认为待测物体未发生位移形变；反之，甄别度较高时，有利于及时判断形变的产生，对于监测工程是有利的。当变形后得到的应变曲线和初始应变曲线贴合或区分层次感不强及甄别度不佳，就可以判断没有产生形变；反之，若二者有明显层次区分即甄别度较佳时，就可以判断有形变产生。通过进一步判断裂缝的发育程度，从而提出相应的控制措施。

本发明的方法中，光纤选用金属基索状应变感测光纤。如图4-5所示，金属基索状应变感测光纤包括依次从内向外的纤芯12、纤芯护套11、多股钢绞线10和光纤护套9，其中，多股钢绞线10沿圆周均匀分布在纤芯护套11的外围。

通过在大体积钢筋混凝土梁上预埋光纤，采用三分点集中加载方式，测试不同种类的光纤应变，并与粘贴在钢筋上应变片测得的应变值进行比对。结果显示，相比于聚氨酯光纤，钢绞线光纤由于弹性模量与混凝土介质更加接近，其协同变形能力更佳，因此采用钢绞线光纤监测数据更加准确，受外界因素影响较小。所以，本发明选用5mm钢绞线光纤作为混凝土裂缝监测所用的光纤。

本发明的方法中，光纤解调仪优选用布里渊光时域反射仪(BOTDR)。同时，分布式光纤的辐射状布设以及S型吊环固定方式仍属于分布式光纤传感技术的范畴，为BOTDR技术的工程应用提供了新的方法和思路。

本发明将光纤分三层从形心点向边缘呈辐射状布设，并且采用S型吊环将光纤固定在筏板基础的钢筋网上，测量精度可达1mm，可以满足绝大部分工程的监测精度要求。可见，本发明能够实时、有效地监测大体积混凝土在浇筑完成凝固及养护过程中内部产生的裂缝情况，同时能够提高监测灵敏度和测量精度。

综上所述，本发明记载的监测方法，既能满足大范围监测的要求，又能大大提高测量精度，还能极大地避免由于混凝土水化热现象而导致测量数据出现误差。因此，本发明可以满足分布式光纤传感技术对于精确提取大范围测量场分布式信息能力，达到实时监测混凝土内部裂缝，以便及时对混凝土内部裂缝采取相应控制措施的要求。