吴静红1，刘浩1，杨鹏2,3，蒋娜1
1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州215000；
2.南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京210000；
3.苏州南智传感科技有限公司，江苏 苏州215000
摘 要 混凝土结构裂缝难以从理论上准确预测，本文基于光频域反射计（Optical Frequency
Domain Reflectometer,OFDR）技术，借助混凝土梁模型试验，研究了该技术在混凝土结构开裂辨识和发展状况监测上的应用，试验结果表明：OFDR 技术可以实现混凝土结构0.002mm级别微裂纹的预警；可以定位裂缝位置，空间分辨率达到1cm；并可监测裂缝发展过程。相比其他分布式监测技术， OFDR 技术对裂缝的定位和发展监测更加准确，具有广阔的应用前景。
关键词 光频域反射计（OFDR）；分布式监测；混凝土；裂缝监测；模型试验
混凝土结构裂缝难以从理论上准确预测，OFDR分布式光纤技术具有高空间分辨率，可实现混凝土裂缝的分布式、实时、连续监测的需求。该试验基于OFDR光频域反射技术，借助混凝土梁模型试验，研究了该技术在混凝土结构开裂辨识和发展状况监测上的应用。
混凝土小梁试件截面尺寸为120mm×160mm，长1800mm。混凝土强度等级C30，钢筋采用HRB335级，底部受拉筋12mm，架立筋8mm，箍筋φ6@100，保护层厚度25mm。在小梁底部受拉面对称布设2根1m长、0.9mm高传递紧包护套光缆，两根光缆间距3cm，使用环氧树脂胶黏贴，连接OSI-S应变解调仪。
图1 试验方案（a）实物图；（b）示意图
受力方式为四点受弯，纯弯段长600mm试验方案如图1所示。试验开始前使用OSI-S监测光缆应变记录为初始数据，架设分配梁及千斤顶后记为一级荷载，随后每级荷载增加2kN，直至混凝土梁开裂破坏。使用OSI-S监测每级荷载下光缆应变值，裂缝测宽仪记录每级荷载下裂缝宽度。
图2 混凝土梁底面开裂图
试验结束时，混凝土梁受拉面共产生10条裂缝，其中有四条较大裂缝如图2所示。各级荷载下两根光缆的应变数据如图10、11所示，光缆一和光缆二均出现10个应变波峰，波峰位置与实际的裂缝位置几乎重合。
图3 光缆一各级加载应变图
将分配梁放置在小梁上后，即第一级荷载作用下，应变数据出现波峰如图11所示，在光缆二应变数据上0.63m等位置处均为裂缝发生处，将此时数据扣除梁体应变后进行积分的裂缝宽度约0.002mm，肉眼不可见。直至加载第三级后，边角处出现肉眼可见裂缝，加载第四级时裂缝宽度达到约0.5mm。说明OFDR分布式光纤感测技术可以在肉眼可见裂缝发生前监测到该裂缝的存在，可以用于裂缝发生前的预警预报。
图4 光缆二各级加载应变
由光缆二最后一级应变计算得到10条裂缝的计算宽度，与实际宽度对比如表1，最大误差5.63%，平均误差为1.96%。
表3 裂缝宽度实测数据与OFDR测量数据
| Crack Number | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| Measurements | 0.178 | 0.202 | 0.277 | 0.303 | 0.166 | 0.199 | 0.179 | 0.288 | 0.238 | 0.151 |
| Actual Value | 0.18 | 0.20 | 0.28 | 0.31 | 0.16 | 0.20 | 0.18 | 0.28 | 0.24 | 0.16 |
| Absolute Error | -0.002 | 0.002 | -0.003 | -0.007 | 0.006 | -0.001 | -0.001 | 0.008 | -0.002 | -0.009 |
| Relative Error | -1.111 | 1.000 | -1.071 | -2.258 | 3.750 | -0.500 | -0.556 | 2.857 | -0.833 | -5.625 |
对同一条裂缝的发展规律进行分析，发现每级荷载下的裂缝的扩展大致相当，如光缆一第四条裂缝在各级荷载下的宽度变化，如图5所示。
图5 裂缝4各级数据图
每级加载裂缝约增大0.025mm，第7级、11级、15级荷载时裂缝宽度达到0.10mm、0.22mm、0.32mm，与裂缝观测仪结果基本一致，如图6所示。
图6 裂缝实拍图（a）0.10mm裂缝图；（b）0.22mm裂缝图；（c）0.34mm裂缝图
监测结果表明：
- OFDR可以通过其应变曲线来定位和监测混凝土结构的裂缝，应变曲线的波峰位置就是裂缝位置；
- OFDR可以监测裂缝的发展情况，将裂缝处应变波峰数据积分即可得裂缝宽度，最大误差5.63%，满足工程需求；
- OFDR可以监测到微小裂纹的出现，在结构裂缝达到0.002mm时即可进行识别预警。