基于光纤光栅的钢筋混凝土结构裂缝宽度探测机理研究

There are strict restrictions on the maximum crack width of concrete under different environments in the code for design of concrete structures.The project aims for constructing the theoretical model of the crack width sensing using optical fiber grating based on the interdisciplinary theory of fiber grating sensing and mechanics of concrete.The three-axis strain curve fitting of optical fiber grating under concrete crack will be studied,the mechanical model will be extended from two-dimension to three-dimension,the traditional calculation method of optical fiber grating reflection spectrum based on the assumed condition of plane stress and plane strain will be optimized;The bond-slip model of reinforced concrete will be modified based on the minor stress axially of optical fiber grating under concrete crack,and the modified model will be used to calculate the crack width,so the calculation method of crack width based on the traditional mechanics of concrete will be optimized; The strain transfer function of the sensor embedded in a Invar steel and colloid will be developed, the optimal structure settings that determine the efficiency of strain transferring will be discussed,such as the technology of sensor packaging and coupling with concrete structure, the working stability and achieved reliability of sensors will be tested also. The essence of the project is to reveal the detection principle of concrete crack width based on optical fiber gratings, develop the special theory and practical design method for this kind of optical fiber sensor.

混凝土结构设计规范中对不同环境类别下混凝土最大裂缝宽度有严格限制，本项目运用光纤光栅传感、混凝土力学等交叉学科理论方法与技术，构建基于光纤光栅的混凝土裂缝宽度的检测及分析处理方法。研究混凝土裂纹作用下的光纤光栅三轴应变曲线的拟合方法，将光栅受力模型由二维扩展到三维，优化传统的平面应力或平面应变状态下的光纤光栅传感反射谱的计算方法；针对构件受裂缝轴向力较小的情况，结合光栅受力，对钢筋、混凝土间粘结滑移的线性关系进行修正，并将其应用于裂缝宽度的计算公式中，修正传统的基于混凝土力学原理的裂缝宽度计算公式；研究基于“光纤光栅—胶体保护—殷钢封装”结构的传感器应变传递函数，探索混凝土结构中传感器的最佳结构设置，如封装技术、与混凝土结构的耦合技术等，测试传感器的工作稳定性和可靠性。本项目旨在揭示基于光纤光栅的混凝土缝宽探测原理，通过理论和实验研究，形成该种类型传感器的理论分析和工程设计方法。

随着工程建设规模的扩大，大型混凝土结构在营运过程中出现的裂纹将有可能直接导致灾难性的破坏事件。通过一定的应力检测方法，及时掌握混凝土内部三维应力状态及其变化规律，是减少此类事故发生的有效手段之一。. 本项目主要研究混凝土裂纹作用下的光纤光栅传感反射谱的计算方法，采用耦合模理论，探索光栅反射谱与混凝土裂缝状态间的对应关系，寻求光域探测方法；结合光栅受力，对钢筋、混凝土间粘结滑移关系进行修正，优化传统的基于混凝土力学原理的裂缝宽度计算公式；探索混凝土结构中传感器的封装技术和耦合技术，测试传感器的工作稳定性和可靠性。. 在研究方案实施过程中，首先利用传输矩阵计算了一定外力作用下光栅传感谱的变化，然后利用修订的钢筋、混凝土间粘结滑移关系分析了混凝土的裂缝宽度大小，最后采用简支梁进行了实验验证。实验中所用的简支梁采用泵送混凝土和插入式振捣相结合的施工工艺，内置钢筋、光纤光栅传感器，两主筋型号为HRB335，架力筋和箍筋均为R235，光纤光栅长度8mm，外部封装之后长100mm。试验采用控制位移的方式进行加载，钢筋及混凝土应变通过DH3816N静态应力应变测试分析系统采集，光纤光栅传感谱通过光谱分析仪采集。. 通过对比理论计算和实验结果，发现在相同的外力作用下，Ansys计算所得的裂缝宽度略大于实验结果。原因一方面在于理论计算时钢筋、混凝土的相关参数（抗压强度、抗拉强度、弹性模量等）取值与实验简支梁之间存在差异，另一方面Ansys计算裂缝宽度时会将二次裂缝以及更多级裂缝计算在裂缝宽度内，而实验中实测的裂缝宽度往往是针对某一条裂缝进行的，导致两者之间存在不同。. 本项目主要研究了裂缝宽度与光栅反射谱间的对应关系，从光域的角度探讨了裂缝监测的方法，对比分析了理论计算和实验测量结果。应用ANSYS软件提供的二次开发工具，在后处理中实现混凝土构件裂缝宽度计算的功能。与各规范定义的裂缝宽度计算结果对比，该方法能够准确的计算各级荷载作用下的裂缝宽度，是对现有裂缝宽度计算方法的有益补充和发展。该方法可以广泛地应用于大型混凝土结构的裂纹检测和安全性评估。