本實(shí)用新型涉及混凝土檢測(cè)系統(tǒng)領(lǐng)域，具體是一種基于應(yīng)變傳感光纜的混凝土損傷檢測(cè)分布式測(cè)試系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

混凝土是土木工程中用途最廣、用量最大的一種建筑材料，不同標(biāo)號(hào)的混凝土可承載相應(yīng)的外力作用。然而，由于其自身是一種非均勻的多孔材料，在二氧化碳、水、氯離子等介質(zhì)的侵蝕作用下，不可避免受到外來(lái)因素的影響而腐蝕發(fā)生結(jié)構(gòu)性的損傷破壞。因此，混凝土損傷檢測(cè)對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有不可或缺的作用，其也是當(dāng)今國(guó)際社會(huì)亟待解決的主要難題。

目前，對(duì)于混凝土損傷檢測(cè)可分為內(nèi)部缺陷檢測(cè)和表面檢測(cè)，其中，用于內(nèi)部缺陷檢測(cè)的技術(shù)方法主要有超聲波檢測(cè)、雷達(dá)檢測(cè)、射線檢測(cè)、渦輪檢測(cè)、聲發(fā)射等。射線檢測(cè)可以穿透被檢測(cè)物體并與其發(fā)生物理化學(xué)作用，通過(guò)射線的強(qiáng)弱判斷目標(biāo)體的損傷程度，但是其成本較高難以推廣使用；超聲波和雷達(dá)檢測(cè)均要求目標(biāo)體表面較為平整可與檢測(cè)儀器充分耦合，其次超聲波僅適用于病害區(qū)域已知的情況，而且只能縱向探測(cè)橫向分辨率較低，雷達(dá)檢測(cè)要求病害靶區(qū)介電常數(shù)與周圍介質(zhì)的有較大差別；渦輪檢測(cè)則要求更高的操作環(huán)境，要求其影響因素較少。對(duì)于表面檢測(cè)通常采用人工來(lái)完成，但是對(duì)于特殊的工程如高架橋和高層建筑，檢測(cè)人員難以達(dá)到有效檢測(cè)的目的，后期采用載人飛機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，但是存在成本較高的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種基于應(yīng)變傳感光纜的混凝土損傷檢測(cè)分布式測(cè)試系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)混凝土構(gòu)件損傷檢測(cè)中存在的問(wèn)題。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案為：

一種混凝土損傷檢測(cè)分布式測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于：包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由埋設(shè)在混凝土內(nèi)部的內(nèi)部監(jiān)測(cè)用應(yīng)變傳感光纜和設(shè)置在混凝土表面的表面監(jiān)測(cè)用應(yīng)變傳感光纜構(gòu)成，其中內(nèi)部監(jiān)測(cè)用應(yīng)變傳感光纜為金屬基索狀應(yīng)變傳感光纜，表面監(jiān)測(cè)用應(yīng)變傳感光纜為金屬基帶狀應(yīng)變傳感光纜，所述內(nèi)部監(jiān)測(cè)用應(yīng)變傳感光纜、表面監(jiān)測(cè)用應(yīng)變傳感光纜分別通過(guò)光纖解調(diào)器與數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)連接，數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)連接。

所述的一種混凝土損傷檢測(cè)分布式測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于：內(nèi)部監(jiān)測(cè)用應(yīng)變傳感光纜、表面監(jiān)測(cè)用應(yīng)變傳感光纜分別配置有溫度補(bǔ)償光纜，其中內(nèi)部監(jiān)測(cè)用應(yīng)變傳感光纜配置的溫度補(bǔ)償光纜為金屬無(wú)縫管鎧裝溫度感測(cè)光纜，金屬無(wú)縫管鎧裝溫度感測(cè)光纜隨內(nèi)部監(jiān)測(cè)用應(yīng)變傳感光纜埋入混凝土內(nèi)部，表面監(jiān)測(cè)用應(yīng)變傳感光纜配置的溫度補(bǔ)償光纜為金屬基帶狀溫度感測(cè)光纜，金屬基帶狀溫度感測(cè)光纜隨表面監(jiān)測(cè)用應(yīng)變傳感光纜設(shè)在混凝土表面，金屬無(wú)縫管鎧裝溫度感測(cè)光纜、金屬基帶狀溫度感測(cè)光纜分別通過(guò)光纖解調(diào)器與數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)連接。

所述的一種混凝土損傷檢測(cè)分布式測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于：還包括設(shè)置在混凝土內(nèi)部的規(guī)則的鋼筋構(gòu)件，內(nèi)部監(jiān)測(cè)用應(yīng)變傳感光纜固定在鋼筋構(gòu)件表面。

所述的一種混凝土損傷檢測(cè)分布式測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于：內(nèi)部監(jiān)測(cè)用應(yīng)變傳感光纜在混凝土內(nèi)部呈全面網(wǎng)格式布設(shè)形式，表面監(jiān)測(cè)用應(yīng)變傳感光纜在混凝土表面呈水平布設(shè)形式。

本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有混凝土構(gòu)件損傷檢測(cè)中存在的問(wèn)題，基于分布式應(yīng)變傳感光纜測(cè)試技術(shù)具有實(shí)時(shí)性、精度高、存活率高、長(zhǎng)距離傳輸、傳感與傳輸于一體等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)用新型設(shè)計(jì)一種易操控、方法簡(jiǎn)單、安全可靠的混凝土損傷檢測(cè)分布式測(cè)試系統(tǒng)。

與已有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果體現(xiàn)在：

1、采用分布式應(yīng)變傳感光纜進(jìn)行混凝土損傷監(jiān)測(cè)，其具有分布式、精度高、安裝簡(jiǎn)單、成本較低及抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，有效避免漏檢的問(wèn)題，而且光纜兼具傳感傳輸?shù)墓δ?，且存活率較高可長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

2、分布式應(yīng)變傳感光纜可與混凝土良好耦合發(fā)生協(xié)調(diào)變形，通過(guò)應(yīng)變傳感光纜沿線所得應(yīng)變值可得混凝土變化量，確定混凝土構(gòu)件的損傷情況，實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測(cè)的有效監(jiān)測(cè)。

3、該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可進(jìn)行遠(yuǎn)程作業(yè)并實(shí)施在線監(jiān)測(cè)預(yù)警，應(yīng)變傳感光纜布設(shè)完畢后達(dá)到一勞永逸的效果，大大降低高空人員作業(yè)的危險(xiǎn)系數(shù)，其次傳感光纜自身對(duì)混凝土無(wú)健康影響。

附圖說(shuō)明

圖1為混凝土損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖。

圖2為混凝土損傷模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，其中：

圖2a為裝置整體示意圖，圖2b為裝置俯視圖。

圖3為模擬試驗(yàn)成果解釋圖，其中：

圖3a為G1/G3光纜應(yīng)力應(yīng)變圖，圖3b為G2光纜應(yīng)力應(yīng)變圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型分布式測(cè)試系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與分析、監(jiān)測(cè)預(yù)警三個(gè)主要系統(tǒng)，如圖1所示。其中數(shù)據(jù)采集主要對(duì)光纜沿線進(jìn)行分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)處理與分析是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，監(jiān)測(cè)預(yù)警即是利用數(shù)據(jù)分析結(jié)果，判別異常情況實(shí)時(shí)顯示給監(jiān)測(cè)人員。具體步驟如下：

1、應(yīng)變傳感光纜的選型

對(duì)于混凝土構(gòu)件的健康監(jiān)測(cè)分為內(nèi)部和表面兩種，不同位置的監(jiān)測(cè)將采用不同型號(hào)的光纜?；炷羶?nèi)部監(jiān)測(cè)選取金屬基索狀應(yīng)變傳感光纜，金屬基索狀應(yīng)變傳感光纜為傳感光纖被金屬基索狀保護(hù)在其內(nèi)部，其表面的螺紋結(jié)構(gòu)使得自身與混凝土有良好的的耦合性，可與混凝土協(xié)同變形；表面監(jiān)測(cè)則選取金屬基帶狀應(yīng)變傳感光纜，金屬基帶狀應(yīng)變感測(cè)光纜為傳感光纖被金屬基帶狀保護(hù)在其內(nèi)部，二者均為傳感光纖的加工合成品，其采用優(yōu)質(zhì)多孔鏤空金屬帶，可膠黏或焊接固定在被測(cè)物表面，與混凝土緊密結(jié)合變形一致。同時(shí)，考慮到基礎(chǔ)設(shè)施均處于暴露狀態(tài)，而光纖解調(diào)器對(duì)于應(yīng)變和溫度雙重敏感，在鋪設(shè)應(yīng)變傳感光纜的同時(shí)均實(shí)施溫度補(bǔ)償光纜，分別對(duì)應(yīng)金屬無(wú)縫管鎧裝溫度感測(cè)光纜和金屬基帶狀溫度感測(cè)光纜。

2、應(yīng)變傳感光纜的布設(shè)

2.1混凝土內(nèi)部損傷監(jiān)測(cè)光纜布設(shè)

為了加強(qiáng)混凝土的力學(xué)性質(zhì)，在澆筑過(guò)程中均會(huì)在其內(nèi)部布置規(guī)則的鋼筋構(gòu)件，在布設(shè)內(nèi)部監(jiān)測(cè)用應(yīng)變傳感光纜時(shí)可借助鋼筋，將其用尼龍?jiān)鷰Ч潭ㄔ阡摻畋砻?，后期?jīng)過(guò)混凝土的澆筑二者可完全耦合。對(duì)于墻體、路面、橋梁等均可采用全面網(wǎng)格狀布設(shè)形式，如圖1所示，這樣可有效避免漏檢。

2.2混凝土表面健康監(jiān)測(cè)光纜布設(shè)

對(duì)于混凝土健康的表面監(jiān)測(cè)用應(yīng)變傳感光纜，通常采用金屬基帶狀應(yīng)變傳感光纜，利用粘結(jié)劑使得應(yīng)變傳感光纜與混凝土表面良好耦合，期間為了保證表面監(jiān)測(cè)用應(yīng)變傳感光纜呈直線布設(shè)，利用紅外激光水平儀進(jìn)行校正，如圖1所示。

上訴兩種布設(shè)方法均預(yù)留一定長(zhǎng)度的應(yīng)變傳感光纜，并將傳感光纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)。

具體實(shí)施例：

模型搭載：

本實(shí)驗(yàn)搭載的模型以長(zhǎng)×寬×高＝5850×100×40mm PVC線槽為基礎(chǔ)，在其內(nèi)部注入C30(水泥:砂＝1:1)標(biāo)準(zhǔn)的混凝土。將三條光纜以平行排列的位置關(guān)系埋設(shè)于混凝土中，每?jī)蓷l光纜間隔20mm。一號(hào)光纜為裸纖，將其改裝成定點(diǎn)光纜即在光纜線上每隔200mm標(biāo)記一個(gè)點(diǎn)，二號(hào)光纜為聚氨酯緊套光纜，同樣也將其改為定點(diǎn)光纜使用，方法同一號(hào)光纜，三號(hào)光纜為裸纖，不做任何處理，期間二號(hào)光纜布設(shè)于一、三號(hào)線纜之間。模型搭載完畢，將整個(gè)裝置置于三臺(tái)STDZ-1型點(diǎn)荷載試驗(yàn)儀上，1#試驗(yàn)儀與2#相隔1870mm，2#與3#相間1800mm，1#距離首端320mm，3#距離尾部1860mm。為了實(shí)現(xiàn)均勻加壓，將點(diǎn)荷載試驗(yàn)儀改裝成均勻荷載儀，即將點(diǎn)荷載尖部拆除，同時(shí)在混凝土上下局部加上亞格力板，使其受壓均勻，整個(gè)模型裝置示意如圖2a、b所示。

在混凝土植入性定點(diǎn)破壞檢測(cè)中共布設(shè)三條光纖：G1、G2、G3。根據(jù)實(shí)際工程監(jiān)測(cè)具體要求，結(jié)合光纖監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行區(qū)域交叉數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模擬，形成一套較為科學(xué)的光纖布設(shè)方案，完成應(yīng)力變化的數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集。其具體實(shí)施如下：

G1(裸纖)

布設(shè)位置：附圖2b中G1所示；

埋深：20mm；

埋長(zhǎng)：5850mm；

尾部預(yù)留：1000mm；

連接線及跳線長(zhǎng)度：14000mm；

布設(shè)方式：每隔200mm標(biāo)記一點(diǎn)；

G2(聚氨酯緊套光纜)

布設(shè)位置：平行于G1布設(shè)，附圖2b中G2所示；

埋深：20mm；

埋長(zhǎng)：5850mm；

尾部預(yù)留：1000mm；

連接線及跳線長(zhǎng)度：19000mm；

布設(shè)方式：每隔200mm標(biāo)記一點(diǎn)；

G3(裸纖)

布設(shè)位置：平行于G1、G2布設(shè)，附圖2b中G3所示；

埋深：20mm；

埋長(zhǎng)：5850mm；

尾部預(yù)留：1000mm；

連接線及跳線長(zhǎng)度：14000mm。

數(shù)據(jù)采集：

在本次實(shí)驗(yàn)中需首先獲得配套的光纖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成對(duì)模型應(yīng)變背景值數(shù)據(jù)的采集，然后用STDZ-1型點(diǎn)荷載試驗(yàn)儀從3#依次加壓到1#，在每次加壓過(guò)程中，都需測(cè)量三組數(shù)據(jù)，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)裸纖和聚氨酯緊套光纜，目的在于三者之間相互對(duì)比，便于后期數(shù)據(jù)分析和成圖解釋。具體實(shí)施方案如表1所示。

表1采集實(shí)施方案

數(shù)據(jù)處理與分析：

試驗(yàn)過(guò)程中需要綜合考慮環(huán)境溫度對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響。本次模擬試驗(yàn)采用基于布里淵散射的光纖傳感技術(shù)，通過(guò)測(cè)量布里淵散射光的頻移來(lái)測(cè)試采動(dòng)條件下的應(yīng)變分布特征。而布里淵頻移具有對(duì)應(yīng)變和溫度變化的交叉敏感特性，在實(shí)際數(shù)據(jù)采集過(guò)程中常根據(jù)數(shù)據(jù)采集質(zhì)量對(duì)實(shí)測(cè)的應(yīng)變進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)的精確測(cè)量。對(duì)于溫度補(bǔ)償?shù)某Ｓ棉k法是相同溫度場(chǎng)下布設(shè)一條自由狀態(tài)的傳感光纖或者選取同一測(cè)線上一段自由狀態(tài)光纖，其不受應(yīng)變狀態(tài)的影響且該傳感光纖用以監(jiān)測(cè)溫度的變化。理論上，從實(shí)測(cè)頻移中減掉溫度變化引起的頻移就可以得到被測(cè)結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)變。

即：

式中，ε為某一溫度下實(shí)測(cè)光纖的應(yīng)變；為該溫度下自由狀態(tài)下傳感光纖應(yīng)變平均值；ε′為該溫度下進(jìn)行溫度補(bǔ)償光纖真實(shí)應(yīng)變。

圖3a中G1、G3裸纖對(duì)于應(yīng)力的測(cè)試不明顯，因此在數(shù)據(jù)分析時(shí)不考慮其反應(yīng)的情況。在5m之前數(shù)據(jù)曲線基本不變化，第9次數(shù)據(jù)曲線發(fā)生波動(dòng)的原因在于最后一次加壓導(dǎo)致混凝土斷裂，光纖被急劇拉伸，顯示出拉應(yīng)變的狀態(tài)。圖3b前三次的加載由于壓力不足，導(dǎo)致光纜仍處于拉應(yīng)變狀態(tài)，從第四次到第九次的加壓，已經(jīng)對(duì)混凝土產(chǎn)生了破壞，使其處于壓應(yīng)變狀態(tài)。圖中1.5m處光纜出現(xiàn)第一次壓應(yīng)變，緊接著3.4m處第二次壓應(yīng)變，4.9m處再次出現(xiàn)壓應(yīng)變。而且可以看出第二次和第三次壓應(yīng)變值大致相等，并且均大于第一次應(yīng)變值，此處和實(shí)際情況加壓方式基本相同，對(duì)于定位破壞檢測(cè)在誤差允許范圍內(nèi)也比較符合實(shí)際。第九次加壓時(shí)，最后將近2m的距離突然出現(xiàn)應(yīng)變值為正的情況，原因是由于最后一次加壓時(shí)在3#加載儀處將混凝土壓斷，使其折斷出現(xiàn)拉應(yīng)變的情形。綜上所述，分布式光纖傳感光纜對(duì)于混凝土損傷具有良好的捕捉能力，可用于大型基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè)，其次有效證明聚氨酯緊套光纜的選取對(duì)于混凝土的監(jiān)測(cè)是可行的。