裂縫早期檢測對鋼筋混凝土結構的維護至關重要。本研究將光纖植入鋼筋混凝土結構進行足尺地下連續(xù)地下連續(xù)墻-腰梁-支撐接頭試驗。OFDR分布式光纖傳感系統(tǒng)實現(xiàn)對結構內部的連續(xù)應變測量，分析應變分布結果獲得裂縫的產生和位置，與試驗過程中觀察到裂縫一致。這證實在鋼筋混凝土結構內部布設光纖，可以實現(xiàn)混凝土表面裂縫監(jiān)測。此外，對比不同位置光纖的應變測量結果，能夠識別裂縫發(fā)展的方向和深度。
1.試驗裝置
1.1. 測試裝置和加載方式
光纖安裝在支撐內部鋼筋中，支撐是鋼筋混凝土制成的地下連續(xù)地下連續(xù)墻-腰梁-支撐接頭的一部分(見圖1)。液壓作動器對橫向支撐的鋼筋混凝土結構垂直向下施力，加載從120kN開始，直到約2600kN時結束。
圖1 測試裝置 (單位：mm)
圖2 測試裝置頂部示圖和光纖布設
1.2. 測試鋼筋混凝土結構和光纖傳感器
圖1和圖2顯示地下連續(xù)墻-腰梁-支撐接頭的尺寸以及支撐中鋼筋和光纖的位置。0.9毫米緊護套光纖粘貼到鋼筋的凹槽，在鋼筋的兩端留下過渡區(qū)和未粘膠部分，鋼筋長度為2米，全粘膠部分為1.6米，是“有效測量長度”。在過渡區(qū)外，光纖被放入橡膠套管(藍色)中，在混凝土澆筑過程中保護光纖。圖3顯示光纖傳感器布設方式。在支撐頂面和側面各布設3根光纖，總共6條測量線串連，光纖在頂部的總長度為23米，在側面為30米。
圖3 支撐中光纖布設 (a)頂部示圖 (b)側面示圖
2. 結果與討論
2.1.鋼筋混凝土結構失效
圖4顯示了力-端部豎向位移關系曲線、力-最大裂縫寬度曲線和加載的最終破壞狀態(tài)。為方便結果分析定義漂移率(端部豎向位移除以支撐長度)，特征點的最大漂移率和裂縫寬度也進行了一一對應。由圖可知，第一條裂縫C1在0.1%漂移率時出現(xiàn)，隨后當漂移率達到0.5%時出現(xiàn)了許多小裂縫(C2~C6)，過程中觀察最大裂縫寬度顯著增加，達到約0.4毫米(由裂縫寬度測量儀獲得)。
圖4 力-端部豎向位移關系曲線、力-最大裂縫寬度曲線和加載的最終破壞狀態(tài)
力-端部豎向位移曲線顯示該結構0.5%漂移率前(1007.1 kN)是近似線性彈性行為，隨后是剛度逐漸下降的幾個階段(分別由藍色、紅色和品紅色實線)，在4.8%漂移率時達到2628 kN最大荷載。在1.5%漂移率時，腰梁中第八條裂縫C8被捕獲，該處測得最大裂縫寬度約1.2毫米。隨著變形增加，由于載荷下降，測試以5.4%漂移率終止，受壓側混凝土被壓碎。
2.2.鋼筋應變分布和頂部裂縫分布
圖5(a)是0.15%漂移率時支撐和腰梁混凝土表面的裂縫分布。觀察到C1在0.1%漂移率時出現(xiàn)，位于腰梁和支撐之間的交叉處，距離光纖傳感器起點0.3米。C2第二條裂縫在0.15%漂移率時出現(xiàn)，距離C1 0.45米。
圖5(a) 0.15%漂移率時支撐和腰梁混凝土表面的裂縫分布 (b)~(d) 是植入鋼筋內光纖A、B和C的應變測量結果
圖5(b)~(d)是頂部縱向植入鋼筋內光纖A、B和C的應變測量結果。當加載量較低(120kN)時，應變分布相當平滑，表明很少或沒有顯著開裂；隨著載荷增加，在所有應變分布中都出現(xiàn)尖峰，這與觀察到C1和C2裂縫位置一致。可以得出結論，應變分布中尖峰表示裂縫位置。OSI測量系統(tǒng)在約240kN較低載荷時檢測到早期開裂(C1)，在300kN載荷時，早期開裂變得明顯。研究表明，光纖植入鋼筋方案，應變分布可精確定位混凝土表面裂縫。與先前報道的混凝土表面布設光纖方案測量結果相似。
圖6 (a)0.45%漂移率時支撐和腰梁混凝土表面的裂縫分布 (b)~(d)是植入鋼筋內光纖A、B和C的應變測量結果
圖6(a)顯示觀察的新裂縫C3~C6的產生和位置。在0.3%漂移率時支撐上觀察到裂縫C3~C5，在0.45%漂移率時C6出現(xiàn)在腰梁上。圖6(b)~(d)中應變曲線可以很容易地識別以上裂縫。C6裂縫位于傳感光纖段邊緣，因此無法識別。
2.3. 鋼筋應變分布和側向裂縫分布
圖7(a)顯示1.1%漂移率時混凝土側面的裂縫，它反映彎曲和剪切的綜合作用。圖7(b)~(d)是植入鋼筋內光纖D、E和F的應變測量結果。F中應變尖峰顯示C2~C5 4個裂縫，而鋼筋E僅捕獲到3個尖峰。此外，E和F中的裂縫C2和C3與裂縫C2和C4之間的距離變化顯示裂縫發(fā)展有輕微左移趨勢，這與目測結果比較符合。另外，位于支撐底部鋼筋D和遠離支撐支撐側的1/3部分鋼筋呈現(xiàn)壓縮應變。
圖7 (a) 1.1%漂移率時混凝土側面的裂縫 (b)~(d) 是植入鋼筋內光纖F、D和E的應變測量結果
3.結論
光纖植入鋼筋方案與先前報道的混凝土表面布設光纖方案，應變測量結果相似?？赏ㄟ^應變曲線中的尖峰識別裂縫的產生和位置。
在低載荷或變形條件下更容易識別裂縫，在較高載荷水平下識別裂縫難度增加。
合理布置光纖，可以捕捉裂縫發(fā)展路徑，實現(xiàn)對裂縫方向和深度的識別。
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來源：Advances in Civil Engineering Volume 2020, Article ID 8312487, 11 pages
題名：Crack Detection of Reinforced Concrete Member Using Rayleigh-Based Distributed Optic Fiber Strain Sensing System
作者：Tingjin Liu1,2，Honghao Huang2，Yubing Yang3
1. South China Institute of Geotechnical Engineering, State Key Laboratory of Subtropical Building Science,South China University of Technology (SCUT), Guangzhou 510640, China
2. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology (SCUT), Guangzhou 510640, China
3. College of Water Conservancy and Civil Engineering, South China Agricultural University (SCAU), Guangzhou 510642, China
