裂缝早期检测对钢筋混凝土结构的维护至关重要。本研究将光纤植入钢筋混凝土结构进行足尺地下连续地下连续墙-腰梁-支撑接头试验。OFDR分布式光纤传感系统实现对结构内部的连续应变测量，分析应变分布结果获得裂缝的产生和位置，与试验过程中观察到裂缝一致。这证实在钢筋混凝土结构内部布设光纤，可以实现混凝土表面裂缝监测。此外，对比不同位置光纤的应变测量结果，能够识别裂缝发展的方向和深度。
1.试验装置
1.1. 测试装置和加载方式
光纤安装在支撑内部钢筋中，支撑是钢筋混凝土制成的地下连续地下连续墙-腰梁-支撑接头的一部分(见图1)。液压作动器对横向支撑的钢筋混凝土结构垂直向下施力，加载从120kN开始，直到约2600kN时结束。
图1 测试装置 (单位：mm)
图2 测试装置顶部示图和光纤布设
1.2. 测试钢筋混凝土结构和光纤传感器
图1和图2显示地下连续墙-腰梁-支撑接头的尺寸以及支撑中钢筋和光纤的位置。0.9毫米紧护套光纤粘贴到钢筋的凹槽，在钢筋的两端留下过渡区和未粘胶部分，钢筋长度为2米，全粘胶部分为1.6米，是“有效测量长度”。在过渡区外，光纤被放入橡胶套管(蓝色)中，在混凝土浇筑过程中保护光纤。图3显示光纤传感器布设方式。在支撑顶面和侧面各布设3根光纤，总共6条测量线串连，光纤在顶部的总长度为23米，在侧面为30米。
图3 支撑中光纤布设 (a)顶部示图 (b)侧面示图
2. 结果与讨论
2.1.钢筋混凝土结构失效
图4显示了力-端部竖向位移关系曲线、力-最大裂缝宽度曲线和加载的最终破坏状态。为方便结果分析定义漂移率(端部竖向位移除以支撑长度)，特征点的最大漂移率和裂缝宽度也进行了一一对应。由图可知，第一条裂缝C1在0.1%漂移率时出现，随后当漂移率达到0.5%时出现了许多小裂缝(C2~C6)，过程中观察最大裂缝宽度显著增加，达到约0.4毫米(由裂缝宽度测量仪获得)。
图4 力-端部竖向位移关系曲线、力-最大裂缝宽度曲线和加载的最终破坏状态
力-端部竖向位移曲线显示该结构0.5%漂移率前(1007.1 kN)是近似线性弹性行为，随后是刚度逐渐下降的几个阶段(分别由蓝色、红色和品红色实线)，在4.8%漂移率时达到2628 kN最大荷载。在1.5%漂移率时，腰梁中第八条裂缝C8被捕获，该处测得最大裂缝宽度约1.2毫米。随着变形增加，由于载荷下降，测试以5.4%漂移率终止，受压侧混凝土被压碎。
2.2.钢筋应变分布和顶部裂缝分布
图5(a)是0.15%漂移率时支撑和腰梁混凝土表面的裂缝分布。观察到C1在0.1%漂移率时出现，位于腰梁和支撑之间的交叉处，距离光纤传感器起点0.3米。C2第二条裂缝在0.15%漂移率时出现，距离C1 0.45米。
图5(a) 0.15%漂移率时支撑和腰梁混凝土表面的裂缝分布 (b)~(d) 是植入钢筋内光纤A、B和C的应变测量结果
图5(b)~(d)是顶部纵向植入钢筋内光纤A、B和C的应变测量结果。当加载量较低(120kN)时，应变分布相当平滑，表明很少或没有显著开裂；随着载荷增加，在所有应变分布中都出现尖峰，这与观察到C1和C2裂缝位置一致。可以得出结论，应变分布中尖峰表示裂缝位置。OSI测量系统在约240kN较低载荷时检测到早期开裂(C1)，在300kN载荷时，早期开裂变得明显。研究表明，光纤植入钢筋方案，应变分布可精确定位混凝土表面裂缝。与先前报道的混凝土表面布设光纤方案测量结果相似。
图6 (a)0.45%漂移率时支撑和腰梁混凝土表面的裂缝分布 (b)~(d)是植入钢筋内光纤A、B和C的应变测量结果
图6(a)显示观察的新裂缝C3~C6的产生和位置。在0.3%漂移率时支撑上观察到裂缝C3~C5，在0.45%漂移率时C6出现在腰梁上。图6(b)~(d)中应变曲线可以很容易地识别以上裂缝。C6裂缝位于传感光纤段边缘，因此无法识别。
2.3. 钢筋应变分布和侧向裂缝分布
图7(a)显示1.1%漂移率时混凝土侧面的裂缝，它反映弯曲和剪切的综合作用。图7(b)~(d)是植入钢筋内光纤D、E和F的应变测量结果。F中应变尖峰显示C2~C5 4个裂缝，而钢筋E仅捕获到3个尖峰。此外，E和F中的裂缝C2和C3与裂缝C2和C4之间的距离变化显示裂缝发展有轻微左移趋势，这与目测结果比较符合。另外，位于支撑底部钢筋D和远离支撑支撑侧的1/3部分钢筋呈现压缩应变。
图7 (a) 1.1%漂移率时混凝土侧面的裂缝 (b)~(d) 是植入钢筋内光纤F、D和E的应变测量结果
3.结论
光纤植入钢筋方案与先前报道的混凝土表面布设光纤方案，应变测量结果相似。可通过应变曲线中的尖峰识别裂缝的产生和位置。
在低载荷或变形条件下更容易识别裂缝，在较高载荷水平下识别裂缝难度增加。
合理布置光纤，可以捕捉裂缝发展路径，实现对裂缝方向和深度的识别。
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来源：Advances in Civil Engineering Volume 2020, Article ID 8312487, 11 pages
题名：Crack Detection of Reinforced Concrete Member Using Rayleigh-Based Distributed Optic Fiber Strain Sensing System
作者：Tingjin Liu1,2，Honghao Huang2，Yubing Yang3
1. South China Institute of Geotechnical Engineering, State Key Laboratory of Subtropical Building Science,South China University of Technology (SCUT), Guangzhou 510640, China
2. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology (SCUT), Guangzhou 510640, China
3. College of Water Conservancy and Civil Engineering, South China Agricultural University (SCAU), Guangzhou 510642, China
