基于光纤传感网络的混凝土裂缝检测技术研究

• 作 者: 徐华
• 机 构: 石家庄铁道大学
• 出 处: 石家庄铁道学院 石家庄铁道大学
• 发表日期: 2007年期
• 关键词: 裂缝监测 光纤传感网络 光损耗 混凝土裂缝 检测技术 结构损伤

裂缝是混凝土结构内部损伤的集中表现，它的产生和扩展直接破坏了结构的完整性，从而引起应力状态的急剧恶化，甚至造成混凝土结构的断裂或垮塌。因此，必须采用相应的监测手段，及时检测裂缝的产生和扩展情况，以避免大型混凝土结构断裂或垮塌等灾难性事故发生，确保其长期安全可靠运行。本文针对钢筋混凝土结构裂缝监测的需求，依据光纤微弯损耗原理和OTDR光时域反射技术原理，研究开发了一种基于光纤传感的钢筋混凝土裂缝监测技术，为混凝土裂缝的实时、在线、分布式监测提供了一种实用有效的崭新技术手段。本文的主要研究成果如下：
(1) 通过对混凝土裂缝形成机理和裂纹产生与扩展过程的分析，详尽研究了混凝土裂缝的分布特性和分布规律，并据此提出了对裂缝监测的基本要求，为混凝土裂缝监测技术方案设计奠定了基础。
(2) 通过对光纤传输特性、光纤微弯损耗及其分布式传感原理的分析，提出了基于光纤微弯原理的裂缝监测系统的设计思想和完整的系统设计方案，构建了裂缝监测系统模拟试验平台，为基于光纤传感的裂缝监测试验研究提供了理论和技术保障。
(3)通过对基于斜交光纤传感网络的裂缝监测原理分析和布设技术研究，提出了基于斜交光纤传感网络的裂缝监测技术方法，并得出光纤与裂缝走向之间的斜交夹角等于60°时为最佳传感网络布设方案。该技术方法具有工艺简单、成本低廉、易于实施、能够实现分布测量的优点，但测量精度仅为0.1mm，且斜交夹角难以控制。只适用于裂纹走向和发展能够提前预知的混凝土结构裂缝监测。
(4) 通过对基于微弯增敏光纤传感头的裂缝监测原理分析和布设技术研究，提出了基于微弯增敏光纤传感头的裂缝监测技术方法，并建立了增敏光纤传感网络的光损耗与裂缝宽度之间的定量关系式，设计制作了微弯增敏光纤传感头。该技术方法可以在未知裂缝走向的情况下对混凝土裂缝实施准确定位和高精度测量，其测试精度达到0.05mm，完全适用于混凝土裂缝的高精度和分布式监测，可在混凝土桥梁、大坝、隧道等裂缝监测中广泛推广应用。