基于内置OFDR分布式光纤的纤维复合筋粘结-滑移在线监测系统与方法

技术领域

本发明涉及配筋混凝土结构内部粘结-滑移在线监测技术领域，具体是一种基于内置OFDR分布式光纤的纤维复合筋粘结-滑移在线监测系统与方法。

背景技术

随着建设工程规模的快速发展，对于工程结构可靠度和安全性的关注度也越来越高，结构的健康监控已成为关注的重点。对于配筋混凝土结构，加强筋-混凝土主要是通过界面粘结应力实现荷载传递，以达成加强筋与混凝土协同受力、共同工作的目的。但有大量研究表明，加强筋-混凝土的破坏往往发生在粘结界面而非材料本身，此时加强筋和混凝土尚未达到其强度极限，材料性能未能完全发挥，但结构已出现病害隐患，会迅速、严重地影响其寿命和可靠度。由此可见，粘结界面是配筋混凝土结构的薄弱环节，针对该问题，大量研究以粘结-滑移本构数学模型表示该薄弱界面的性能，其中，界面滑移值是关键参数。因此，实时监测加强筋与混凝土的粘结-滑移量对于配筋混凝土结构的健康监控工程具有重大意义。

目前，工程上对于粘结-滑移性能的考虑大多体现在对加强筋和混凝土的材性要求，或者进行室内试验获得粘结-滑移性能的平均参数，据此对工程进行方向性的指导设计。但对于实际工程应用来说，仍缺少直接有效的实时监测粘结-滑移量的方法，在复杂工况作用下的实际工程中，极易错失有助于及时修补的重要先兆信息，最后直至结构破坏，造成重大损失和后果。

OFDR分布式光纤传感技术作为一种分布式监测技术，该技术中光纤既是信号传输介质也是传感元件，可获得沿光纤传感方向的一些特定物理量，通过合理布设光纤网络可进行空间上的连续式测量，对被测结构实现大范围的健康监测。但是该技术具备高精度、高敏感度等优点的同时，也有强度低、刚度低、材质脆弱、对使用环境要求较高的缺点，而配筋混凝土工程的施工和服役环境较为恶劣，在其内部布设光纤的成活率极低，因此极大地限制了光纤在混凝土工程中的应用。

作为传统增强材料，钢筋在混凝土结构中应用已久，但其较差的抗腐蚀性能和抗锈蚀性能显著影响结构的耐久性，其自重大、焊接长度大等特性也影响了工程施工效率。作为我国始终重点支持发展的纤维衍生产品，纤维复合筋具有高强度、不生锈、耐腐蚀、重量轻、易加工等显著优点，在近些年来不断的完善发展下，采用纤维复合筋替代钢筋用于混凝土工程建设已呈现出一定的发展趋势，且相较于钢筋而言，纤维筋的组成材料及其对应的制作工艺呈现多元化分步式特征，为改变或增减制备材料种类以改进其功能提供了便利的先天基础条件。

发明内容

本发明为了可以实时、无损、精确、连续地监测混凝土结构内部纤维增强筋-混凝土间的粘结-滑移值，旨在解决现有问题：缺少获取加强筋-混凝土间粘结-滑移值的有效工程手段、缺少内嵌式光纤智能复合筋所测数据与复合筋实际力学状态参数间的定量计算方法，提供一种基于内置OFDR分布式光纤的纤维复合筋粘结-滑移在线监测系统与方法。

本发明采取以下技术方案：一种基于内置OFDR分布式光纤的纤维复合筋粘结-滑移在线监测系统，包括：纤维复合筋组件，所述纤维复合筋组件包括设置于混凝土基体内部的多根内置OFDR分布式光纤-纤维复合筋，内置OFDR分布式光纤-纤维复合筋的内部设置有分布式监测光纤和分布式温度补偿光纤；光源发射装置，所述光源发射装置用于向纤维复合筋组件中的分布式监测光纤和分布式温度补偿光纤发射激光以及接收传回的散射光；OFDR传感测量系统，所述OFDR传感测量系统用于采集分布式监测光纤和分布式温度补偿光纤传回的光纤监测信号；数据采集仪器，用于对OFDR传感测量系统采集的信号进行处理。

在一些实施例中，纤维复合筋组件的两端分别与转接线连接，输入端的转接线与OFDR传感测量系统及光源发射装置连接，输出端的转接线与尾端消除器连接。

在一些实施例中，纤维复合筋组件包括分布式监测光纤、分布式温度补偿光纤、环氧树脂以及纤维复合筋，环氧树脂包裹在分布式监测光纤和分布式温度补偿光纤外侧，纤维复合筋包裹在环氧树脂外侧。

在一些实施例中，分布式监测光纤包括由内向外依次设置的光纤纤芯、涂覆层、包覆层和紧护套。

在一些实施例中，分布式温度补偿光纤包括由内向外依次设置的光纤纤芯、涂覆层、包覆层、紧护套和松护套，所述紧护套和松护套之间设置有间隙。

一种基于内置OFDR分布式光纤的纤维复合筋粘结-滑移在线监测系统的监测方法，包括以下步骤：

S100：光源发射装置向分布式监测光纤和分布式温度补偿光纤发射激光，OFDR传感测量系统对分布式监测光纤和分布式温度补偿光纤传回的光信号进行采集（采集的光信号即为内部光纤光谱偏移量，瑞利散射光谱偏移量与光纤应变、温度成正比，而OFDR传感测量系统可以直接完成这个转化，将结果传递给数据采集仪器），将光信号转换为电信号，并传递给数据采集仪器；将分布式监测光纤实测轴向应变值ε

S200：建立纤维复合筋表面轴向应变ε

式中，

S300：分别建立纤维复合筋-混凝土间滑移量S(x)、纤维复合筋表面切应力τ

式中，τ

m——分布式光纤传感器的分辨率；

ε

E

式中，S(x)——坐标x处的纤维复合筋-混凝土间滑移量；

L——分布式光纤粘结长度的一半。

S400：通过采集的分布式光纤轴向应变计算得到纤维复合筋表面切应力τ

一种基于内置OFDR分布式光纤的纤维复合筋粘结-滑移在线监测系统的混凝土结构内部健康监测方法，混凝土内部出现非均匀变形、局部断裂等健康问题时，对纤维复合筋组件产生作用力，该作用力传递给内部的分布式光纤后，分布式光纤的相应位置会出现恒定的应变异常峰，通过读取该应变异常峰对应的坐标位置并进行坐标换算，即可获得结构内部健康问题点的具体位置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明将分布式光纤置于纤维复合筋内部，为分布式光纤在混凝土结构内部提供安全的测量环境，得到高空间分辨率（可达mm级）的混凝土内部监测系统。

（2）本发明可实时监测混凝土内部纤维复合筋的粘结-滑移情况，获取监测系统沿程的任意一点的粘结-滑移情况及结构内部健康状况。

（3）本发明所用光纤可采用普通单模光纤，成本低廉，适合在混凝土结构中大规模使用。

（4）本发明所用纤维复合筋对纤维种类没有限制，适用于多种纤维领域。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于内置OFDR分布式光纤的纤维复合筋粘结-滑移在线监测系统的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的内置OFDR分布式光纤-纤维复合筋的整体结构示意图；

图3为本发明中分布式监测光纤的横截面示意图；

图4为本发明中分布式温度补偿光纤的横截面示意图；

图5为本发明中OFDR分布式光纤-纤维复合筋微元段示意图；

图6为本发明中OFDR分布式光纤微元段力学状态示意图；

图7为本发明中环氧树脂层微元段力学状态示意图；

图8为本发明中混凝土-纤维复合筋微元段示意图；

图9为本发明中纤维复合筋微元段力学状态示意图；

附图标记说明：1-数据采集仪器、2-OFDR传感测量系统及光源发射装置、3-纤维复合筋组件、4-转接线、5-尾端消除器、31-分布式监测光纤、32-分布式温度补偿光纤、33-环氧树脂、6-纤维复合筋、7-光纤纤芯、8-涂覆层、9-包覆层、10-紧护套、11-松护套。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于内置OFDR分布式光纤的纤维复合筋粘结-滑移在线监测系统，包括依次连接的数据采集仪器1、OFDR传感测量系统及光源发射装置2、纤维复合筋组件3、转接线4、尾端消除器5，

所述光源发射装置用于向纤维复合筋组件中的分布式光纤发射激光以及接收分布式光纤传回的散射光，

所述OFDR传感测量系统用于对分布式光纤传回的光纤监测信号进行采集，将光信号转换为电信号，并传递给数据采集仪器1，所述数据采集仪器1包括终端计算机以及配套的数据处理软件，用于分析接收到的分布式光纤监测值，获得纤维复合筋的粘结-滑移参数。

所述纤维复合筋组件3包括设置于混凝土基体内部的多根内置OFDR分布式光纤-纤维复合筋，内部包括一条分布式监测光纤和一条分布式温度补偿光纤。

本发明中的分布式监测光纤既是信号感应装置，又是信号传输装置，可实现纤维复合筋粘结-滑移的分布式在线监测，且该监测系统空间分辨率高（可达mm级），对于监测系统沿程的任何一点，能通过光纤的光谱偏移量来实时获取该位置的纤维复合筋表面切应力τps(x)、纤维复合筋-混凝土间滑移量S(x)以及纤维复合筋所在混凝土结构基体的健康状况。本发明监测精度高、监测范围广、沿程采用光信号传输，信号损耗小，抗电磁干扰能力强。

如图2所示，作为实施方式之一，所述内置OFDR分布式光纤-纤维复合筋内包括一条分布式监测光纤和一条分布式温度补偿光纤，所述分布式监测光纤和分布式温度补偿光纤对称地设置于纤维筋内部且沿纤维筋轴向设置，光纤外壁与纤维筋外壁间的距离为d

如图3所示，作为实施方式之一，所述分布式监测光纤包括由内向外依次设置的光纤纤芯7、涂覆层8、包覆层9和紧护套10。

作为本实施例的优选，所述纤维复合筋组件还包括一条分布式温度补偿光纤，所述分布式温度补偿光纤与分布式监测光纤对称设置于纤维复合筋内部，用于监测混凝土基体温度变化引起的光纤应变，从而对所述分布式监测光纤的监测值进行补偿。每根纤维复合筋内的分布式监测光纤均有其对应的分布式温度补偿光纤，且二者位于同一根纤维复合筋内，距离较近，温度梯度较小，可以为监测值提供最真实、最精确的温度补偿值。如图4所示，所述分布式温度补偿光纤包括由内向外依次设置的光纤纤芯7、涂覆层8、包覆层9、紧护套10和松护套11，所述紧护套和所述松护套之间存在间隙，以保证光纤及紧护套能在松护套内自由移动，发生自由变形。通过设置刚性护套，外界干扰引起的应力无法直接作用于分布式温度补偿光纤，即所述分布式温度补偿光纤测到的应变只与外界温度变化有关。

进一步地，所述分布式光纤-纤维复合筋整体作为加强筋布设于混凝土内部，以加强筋作为监测范围，获得纤维复合筋-混凝土的粘结-滑移数据。所述分布式监测光纤和分布式温度补偿光纤的一端需熔接转接线4，再由转接线4连接分布式光纤传感测量系统，所述分布式光纤传感测量系统与电脑相连，采集和记录数据。分布式监测光纤和分布式温度补偿光纤的另一端需熔接转接线，再由转接线连接尾端消除器，至此构成一个完整的监测系统。

作为本实施例的优选，考虑到光纤及转接线自身的脆弱性和混凝土工程施工粗糙的特点，为获得准确、完整的监测信息，纤维复合筋外部的所述分布式监测光纤、分布式温度补偿式光纤和转接线采用外套不锈钢套管的形式布设，以避免其受到后续混凝土浇筑过程的剧烈冲击破坏及其他外部破坏，且所述光纤和转接线在不锈钢套管内可以自由移动。

所述纤维复合筋组件内的各条光纤都可以采用普通单模光纤，成本低廉，适合在混凝土结构中大规模使用。

本发明所用纤维复合筋对纤维种类没有限制，适用于多种纤维领域。

本发明实施例还提供一种上述基于内置OFDR分布式光纤的纤维复合筋的粘结-滑移在线监测系统的监测方法，该监测方法可以在所述数据采集仪器中执行，用于根据接收的分布式光纤监测值进行分析，获取纤维复合筋-混凝土间的粘结-滑移参数。该监测方法包括：

1）根据嵌入式光纤与树脂层、纤维复合筋之间的层间应变传递理论，建立纤维复合筋表面轴向应变ε

根据分布式监测光纤是否有位置出现恒定异常的应变峰值，判断纤维复合筋是否受到异常冲击或发生显著变形，以获取结构内部的健康状况。

上述监测方法还可以通过分布式温度补偿光纤的监测值实现对混凝土基体温度变化干扰的补偿，包括：

将分布式监测光纤的监测值减去分布式温度补偿光纤的监测值，即可消除混凝土基体温度变化引起的误差。

通过上述温度误差补偿的措施，获得更加精确的监测数据。

下面对上述监测方法中获得各项粘结-滑移参数以及对混凝土基体温度干扰进行补偿的原理及详细方法进行说明。

上述监测方法可以获得两大类监测结果：沿纤维筋长度方向的纤维复合筋-混凝土间粘结-滑移监测和结构内部健康监测。

（1）纤维复合筋-混凝土间粘结-滑移监测

对于发生应变的分布式光纤，可基于光外差探测原理，通过向光纤内部发射参考光和信号光，采集、解析瑞利散射中的背向散射光谱，通过光谱偏移量与光纤应变间呈正比的关系获得光纤应变值。而分布式光纤与纤维复合筋通过弹性树脂材料相互粘结，纤维筋又与混凝土基体粘结，混凝土基体受到的外界荷载会以一定力学关系向内部的纤维复合筋、弹性树脂、分布式光纤依次传递，最终使分布式光纤发生应变；除此之外，由于自身材性相差较大，外力作用下混凝土基体和纤维复合筋发生的形变存在显著差异，导致混凝土-纤维复合筋间发生滑移。上述现象均满足一定力学平衡关系及变形协调关系，因此，可以通过以下推导过程由监测得到的光纤应变值反推出混凝土-纤维复合筋间的粘结力及滑移量。

1）OFDR分布式光纤-纤维复合筋间的应变传递关系

如图5所示，取OFDR分布式光纤-纤维复合筋微元段进行力学分析：

如图6所示，取分布式光纤微元段进行力学平衡分析，有：

(1-1)

(1-2)

如图7所示，取树脂层微元段进行力学平衡分析，有：

(1-3)

(1-4)

将式(1-2)代入式(1-4)，得到：

(1-5)

式中，r

σ

假定各材料始终处于线弹性状态，则根据胡克定律，有：

（1-6）

（1-7）

式中，E为弹性模量；

ε为轴向应变；

τ为剪切应力；

G为剪切模量；

γ为剪切应变。

将式（1-6）、(1-7)代入式（1-5）中，得到：

（1-8）

用小位移假设表示切应变γ：

（1-9）

其中，与轴向位移u相比，径向位移w可以忽略不计。

令式（1-8）等于式（1-9），得到：

（1-10）

对式（1-10）从r

（1-11）

式中，u

再对纤维复合筋层进行上述计算，可以得到纤维复合筋表面与分布式光纤轴向位移间的关系：

（1-12）

为简化表示，令

而

（1-13）

求解得：

取边界条件：

其中，ε

L为分布式光纤粘结长度的一半，

p为分布式光纤内部残余应变的比例。

由式（1-13）和（1-14）求得

故OFDR分布式光纤-纤维复合筋间的应变传递关系为：

（1-15）

2）由应变数据反推混凝土-纤维复合筋粘结力τ

如图8所示，取混凝土-纤维复合筋微元段进行力学分析：

如图9所示，取纤维复合筋微元段进行力学平衡分析，有：

(2-1)

(2-2)

由式（1-15）可以根据特定分辨率下的分布式光纤轴向应变数据计算得到纤维复合筋表面轴向应变数据，在数据点间距离足够小时，式（2-2）可用式（2-3）代替，由此获得纤维复合筋表面切应力数据。

(2-3)

式中，τ

m——分布式光纤传感器的分辨率，

E

本方法将混凝土基体视为无限大的整体，不考虑其自身变形，则纤维复合筋的变形即为滑移量。

根据几何变形协调关系，纤维复合筋上某点x

(2-4)

在数据点间距离足够小时，式（2-4）可用式（2-5）代替，由此获得纤维复合筋表面滑移量数据。

(2-5)

(2-6)

式中，S(x)——坐标x处的纤维复合筋-混凝土间滑移量；

（2）混凝土结构内部健康监测

混凝土内部出现非均匀变形、局部断裂等健康问题时，会对纤维复合筋产生较大作用力，该作用力传递给内部的分布式光纤后，光纤的相应位置会出现恒定的应变异常峰，通过读取该应变异常峰对应的坐标位置并进行坐标换算，即可获得结构内部健康问题点的具体位置。需要说明的是，当纤维复合筋发生脱节、断裂时，其内部的分布式光纤可能会随之断裂，在这种情况下仍可以通过瑞利散射对故障点进行定位及修补工作。

本发明所述的OFDR分布式光纤-纤维复合筋埋设环境为工程大体积混凝土内部，在混凝土浇筑早期阶段内，水泥水化放热剧烈，相对密闭、散热不良的大体积水泥环境会使混凝土内部温度场发生剧烈变化，且持续时间长达5-14d。除此之外，配筋混凝土结构大多在户外环境下长期服役，季节交替中的温度变化也会使混凝土内部温度场发生长期且显著的波动，上述因素引起的混凝土内部温度场变化均会使分布式光纤的内部折射率发生显著变化，给光纤监测结果造成不可忽略的误差。为此，本发明为每根加强筋内部的分布式监测光纤配置一根分布式温度补偿光纤，该光纤的次外层与最外层分别为紧护套和松护套，二者间存在一定空间，可使分布式温度补偿光纤及其柔性包覆层可以免受外力影响，仅因温度影响而自由伸缩，即分布式温度补偿光纤监测所得的应变只与外界温度变化有关，将分布式监测光纤的监测值减去分布式温度补偿光纤的监测值，即可消除外界温度变化对光纤监测结果造成的误差。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。