戚丹

摘 要：水工建筑物內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展具有隨機性，為了更好的把握裂縫擴(kuò)展情況，為裂縫檢測提供依據(jù)，文章以實驗的方式研究了不同裂縫方位下，光損耗與裂縫寬度的關(guān)系。最終，通過實驗得知隨著裂縫方位的增加，光損耗值減少近1/2。

關(guān)鍵詞：塑料光纖裂縫傳感器；不同方位；關(guān)系特性

中圖分類號：O433 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）15-0056-02

1 概 述

塑料光纖因其不可低估的優(yōu)勢，在建筑物健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用不斷受到重視，將塑料光纖和與其相關(guān)的智能監(jiān)測設(shè)備用于裂縫監(jiān)測很有必要，特別是應(yīng)用于裂縫擴(kuò)展比較復(fù)雜的水利工程領(lǐng)域。

水工建筑物由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和承載荷載的復(fù)雜性，使得結(jié)構(gòu)中裂縫的產(chǎn)生具有隨機性，實際工程中光纖一般為事先鋪設(shè)好的，當(dāng)擴(kuò)展方位不可知的裂縫產(chǎn)生時，與光纖的夾角講具有不確定性，會增加裂縫監(jiān)測的難度。本文將通過實驗的方式，研究不同裂縫-光纖夾角下光損耗與裂縫擴(kuò)展寬度的關(guān)系特性。

2 裂縫擴(kuò)展機理

水工建筑物中，混凝土壩占據(jù)重要位置，是一類具有特殊功能要求的大型混凝土結(jié)構(gòu)。混凝土不同于其他材料，是一種復(fù)雜的多相復(fù)合脆性材料，主要由砂、石、水泥、水及一些外加劑和摻合料構(gòu)成按一定比例配合而成，而且混凝土內(nèi)部不可避免地存在著微裂縫等初始缺陷，以上因素決定了混凝土結(jié)構(gòu)宏觀表現(xiàn)的力學(xué)性能的各向異性，以及一定程度上的離散性[1]。在外內(nèi)因（如荷載、溫度變化）單方面或復(fù)合作用下，混凝土結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生裂縫[2]，且裂縫的產(chǎn)生具有隨機性，該隨機性包括裂縫出現(xiàn)位置的隨機性和裂縫擴(kuò)展方位的隨機性。

在荷載作用下混凝土裂縫的擴(kuò)展包括三個階段：

①形成，微細(xì)裂縫出現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)編表面；

②擴(kuò)展，荷載到達(dá)極限抗拉強度的70%便進(jìn)入緩慢擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，并維持一段時間；

③斷裂，當(dāng)最大荷載出現(xiàn)時斷裂區(qū)迅速向前擴(kuò)展，最終導(dǎo)致構(gòu)件的完全斷裂[3]。

3 基于塑料光裂縫傳感纖器的裂縫擴(kuò)展方位實驗 研究

本實驗研究基于塑料光纖裂縫傳感器的不同塑料光纖方位下光強與裂縫擴(kuò)展寬度的關(guān)系特性，目的在于更好的了解裂縫擴(kuò)展規(guī)律，為塑料光纖傳感器在裂縫探測方面的實際工程應(yīng)用提供參考。

3.1 實驗設(shè)計

文獻(xiàn)[4]中提到當(dāng)隨機裂縫出現(xiàn)在壩體表面時，其開展趨勢線一般與結(jié)構(gòu)邊界呈近似垂直或平行關(guān)系。由此可知，若要在壩體中布置光纖，光纖與裂縫的夾角范圍為0 °～90 °。因此，本實驗選用裂縫與光纖的夾角為15 °、30 °、45 °、60 °、75 °，將進(jìn)行五組不同方位角的實驗。塑料光纖與裂縫布置夾角示意圖，如圖1所示。

利用兩塊有機玻璃板的相對移動來模擬裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展。

3.2 實驗準(zhǔn)備

為本次實驗裝置示意圖，如圖2所示，需要器材包括：塑料光纖光功率計，紅光光源，三菱塑料光纖裸纖及尾纖，兩塊 15 mm×30 mm×5 mm有機玻璃板。

3.3 實驗過程

首先布置裂縫模擬裝置，布設(shè)光纖時使光纖與對應(yīng)方向線段重合。本次實驗涉及多組塑料光纖-裂縫方位角下的實驗，實驗組數(shù)較多，實驗過程中，記錄數(shù)據(jù)時要注意標(biāo)注清楚讀取數(shù)據(jù)對應(yīng)的方位角。實驗后，要及時除去玻璃板上粘附的光纖及膠水，關(guān)掉光功率計和光源并用防塵帽蓋住其接頭。

4 實驗結(jié)果分析

整理實驗結(jié)果，得到不同方位下纖芯直徑為0.5 mm的塑料光纖光損耗與裂縫擴(kuò)展關(guān)系，見表1。

由表1，可得到不同方位下光纖損耗與裂縫擴(kuò)展寬度的變化關(guān)系曲線，如圖3所示。

五組方位角中，方位角為15 °時，較小的裂縫會產(chǎn)生較大的微彎變形，因此光損耗隨著裂縫的擴(kuò)展最明顯。

但實驗中光纖不能完全緊貼于玻璃板，靠近裂縫部分會出現(xiàn)光纖與玻璃板的分離，反而使得光損耗不那么明顯。因此，鑒于15 °方位角的特殊性，不納入分析范圍。

綜合微彎損耗發(fā)生機理及實際操作中的因素，使塑料光纖裂縫傳感器的靈敏性從高到低的方位角依次是30 °、45 °、60 °、75 °。

塑料光纖裂縫傳感器靈敏性隨著方位角的增加而降低，且依次以相同倍數(shù)降低，這與文獻(xiàn)[5]中“裂縫相對于光纖的方位角每增加15 °，則光纖的靈敏性降低1/2以上”這一研究成果相似。

由此可知，塑料光纖同于石英光纖，可以用于探測不同方位下的裂縫擴(kuò)展。

5 總結(jié)與展望

利用一個簡易的塑料光纖裂縫傳感器，通過實驗研究了不同方位下塑料光纖光損耗與裂縫擴(kuò)展關(guān)系的關(guān)系，得知，隨著裂縫方位的增加，光損耗值減少近1/2。這為后面進(jìn)一步的研究塑料光纖裂縫傳感器提供了實驗依據(jù)。

但限于實驗的多種因素制約，這一結(jié)果僅限于實驗條件下，實際工程中不同方位下光損耗與縫寬的關(guān)系如何還需進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 許青，鄧濤，董偉，等.基于裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)的混凝土重力壩裂縫擴(kuò)展全過程 數(shù)值分析[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2009，（3）.

[2] 徐世烺，趙艷華.混凝土裂縫擴(kuò)展的斷裂過程準(zhǔn)則與解析[J].工程力學(xué)，

2008，（2）.

[3] 潘小娃，韓海令，田冉，等.建筑混凝土疲勞裂縫擴(kuò)展機理淺析[J].硅

谷，2008，（17）.

[4] 蔡永強.大壩隨機裂縫的光纖智能檢測、預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計[J].廣西水利水 電，2006，（1）

[5] 吳永紅，高培偉，蔡海文.大壩裂縫方位對光纖裂縫傳感靈敏性的影響 [J].壓電與聲光，2007，（3）.