分布式光纤智能裂缝监测技术的模型试验研究

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1、总第8期分布式光纤智能裂缝监测技术的模型试验研究分布式光纤智能裂缝监测技术的模型试验研究叶仲韬。(1．中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司，湖北武汉430034；2．桥梁结构安全与健康湖北省重点试验室，湖北武汉430034)摘要：为研究分布式光纤裂缝监测技术的工程实用网络在三跨预应力混凝土连续梁模型破坏性试验中性，并判断传感网络光纤线布置角度、环氧树脂涂覆层厚度成功监测到了亚毫米级裂缝的发生和发展过程，进等关键技术参数选取的正确性，在某混凝土连续梁桥缩尺模一步验证了该技术的工程可行性。型破坏试验

2、中应用该技术进行了裂缝监测。试验中监测到了预应力混凝土连续梁多条早期水平裂缝的发生和发展，并准确识别了裂缝空间位置和裂缝宽度。试验结果表明：该技2基本原理术能够准确有效侦测连续空间范围内的结构早期裂缝，试验采用的关键技术参数满足工程应用需求。通过某种方式(如粘接)与结构表面牢固耦合的光纤，在结构劣化产生表面裂缝时，于裂缝与其斜向关键词：裂缝；分布式光纤；OTDR混凝土连续梁桥；破坏性试验相交的位置产生半径与光纤直径同量级的弯曲变形(即微弯变形)[3'4_。该变形将导致光纤中经过该处的传输光产生功率损

3、耗(即微弯损耗)。利用OT—1引言DR技术监测光纤传感网络中光功率损耗情况，并对于大型混凝土桥梁结构而言，裂缝产生机理对损耗事件点进行定位，便可分析得到传感对象(即的多样性导致了裂缝损伤发生时间和空间分布的随裂缝)的相关信息，实现传感功能。机性。目前桥梁管养单位对混凝土桥梁裂缝病害的图1展示了典型的传感光纤中OTDR测试曲发现和监测主要依靠定期人工巡检，由于监测周期线和沿程损耗事件对照关系。由图1可见，裂缝导和可达性的限制，人工巡检难以对结构各部位裂缝致的对应位置传感光纤微弯变形在OTDR曲线上进行

4、全方位、全天候的连续监测。呈现出明显的功率损耗“台阶”。近年来，基于光时域反射仪(OpticalTimeDo—mainReflectometry，缩写为OTDR)l_1测试技术的3系统构架及工作流程分布式光纤结构裂缝监测技术以其自动化空间连续测量的独到优势受到了结构安全监测和工程建设3．1系统构架领域越来越多的关注。国内多所高校和科研机构均基于光纤微弯调制机理与OTDR测试技术的对该项技术进行了相关理论和基础试验研究，验证分布式光纤裂缝监测系统主要由以下3部分组成了附着于结构表面的传感光纤网络对结构

5、裂缝监测(图2)：的可行性l2]，并进一步得到了“裂缝宽度一光功率(1)OTDR。完成系统测试功能的终端设备，损耗”拟合函数关系I2]。但早期的试验研究中，多采具有发射光脉冲、测量并解算光脉冲以及数据后处用简支梁、板等小型试验构件，采用带紧束保护层的理功能。传感光纤，传感网络可识别的最小裂缝宽度在毫米(2)光纤裂缝传感网络。以设定的几何形态连级，而对超过规范规定0．2mm限值[的亚毫米级续地附着于待测结构，并在传感光纤沿程任何位置宽度的裂缝无法识别。接受结构随机裂缝微弯调制的光纤网络。本研究组建了基

6、于OTDR测试技术的分布式(3)过渡光纤。连接OTDR和结构光纤传感光纤裂缝传感系统，采用无紧束保护层裸光纤传感网络，以及光纤传感网络各传感段的光纤。该段光收稿日期：2O12～O2一O2仟业者：rt1-{~(1983一)，男，助理工程师，2006年毕业于四川大学土木工程专业，工学学士，2009年毕业于西南交通大学桥梁与隧道专，工学硕士。2桥梁检测与加固2012年第1期图1光纤中OTDR典型测试曲线及事件根据基础试验建立的传感性能半经验公式及实测光损耗值，实现裂缝宽度识别。4．2试验模型激光光源穗l初

7、始0模型桥的缩尺比例约为1：20，模型的跨径组成为(5+9．6+5)m，主梁总长19．6m，采用单箱单信号处室预应力混凝土箱形截面。模型桥结构尺寸见图3。模型结构材料选取：①混凝土，采用C5o混凝图2OTDR测试系统构成示意土；②钢筋，采用热轧HRB235、热轧HRB335两纤一方面实现光信号传递，另一方面也是屏蔽测量种普通钢筋i③预应力筋，成品无粘结预应力钢绞盲区(DeadZone)[5j影响测试效果的重要手段。线1—15．24(极限抗拉强度1860MPa)。3．2工作流程4．3试验设备OTDR控

8、制激光光源产生指定波长和脉宽的采用G652B型单模石英裸光纤(无紧束层)。光脉冲，并通过耦合器，经过渡光纤进入光纤传感网采用加拿大EXFO公司生产的FTB一400型光学综络。光脉冲在经过传感光纤时，在沿程各点发生瑞合测试平台及FTB-7300D一234B型插入式OTDR利散射。后向瑞利散射光携带调制信息，原路返回测试模块作为传感系统OTDR测试终端。OTDR，并经耦合器被探测器接受。OTDR控制信4．4光纤传感网络设计号处理器将测试结果进行平均降噪处理后，综合光根据对