（中国交通建设股份有限公司总承包经营分公司）
【摘 要】混凝土结构的性能退化及失效通常始于裂缝的发生和发展，因此对混凝土结构关键区域的裂缝监测是结构健康监测的重要内容。本文对研究了现有的混凝土结构裂缝监测方法，并对现有方法进行了评述。
1．引言
混凝土结构的性能退化及失效通常始于裂缝的发生和发展[1]，混凝土破坏的实质就是裂纹的产生、扩展和失稳过程。因此对混凝土结构关键区域的裂缝监测是结构健康监测的重要内容。目前，混凝土裂缝监测方法主要有：光纤光栅裂缝监测方法、图像监测方法、SMA裂缝监测方法、涂膜监测方法、结构动态响应裂缝监测方法和机敏网裂缝监测方法等。
2．现常用的裂缝监测方法
2.1 光纤光栅裂缝监测方法
（1）光纤裂缝传感器基本原理
分布式光纤传感技术借鉴的是光时域反射技术（OTDR），其监测信号是光波导中的瑞利散射（Rayleigh Scattering）。用光纤裂缝传感器监测裂缝时，需预先知道混凝土结构中裂缝走向[2]。一般根据混凝土的浇筑情况和结构的受力情况，可预测裂缝大致走向。将光纤与裂缝成一定角度布置在混凝土结构内部或表面，当混凝土结构产生裂缝时，光纤就会随之产生弯曲，并在裂缝处产生能量消耗，能量消耗的大小就能反映裂缝宽度[3]。在用光纤裂缝传感器监测裂缝时，可在光纤前向出光端监测光功率的折减，但只能测量一条裂缝；为监测多条裂缝的位置及其宽度，可后向反射端用光时域反射计（OTDR）量测光纤中的能量损耗。
（2）国外研究现状
在国外的早期研究中，光纤传感技术主要集中在混凝土结构健康监测方面[4]。1989年美国布朗大学的Mendez等率先提出了把光纤传感器植入钢筋混凝土结构中，并提出在实际工程应用中的一些构想[4]。后来英国、日本、美国、瑞士和德国等国的工程师将光纤传感技术应用到桥梁、隧道、大坝、大楼和山体滑坡等复杂系统的健康监测，从而开创了光纤传感器用于大型结构健康监测。
（3）国内研究现状
光纤传感器在国内的研究开始于二十世纪90年代。在公路、桥梁和隧道等方面的裂缝监测上也做了一些探索性的研究，对智能监控网络的建立也有一些相关的研究成果。
2.2 图像监测方法
有学者考虑利用摄影成像的图形分析处理技术监测裂缝的发展。现有的图像处理方法大多是基于灰度，而灰度受外部光线强弱、角度和阴影等影响严重，其图像边界区域总是要受外部光线的影响的；另外，图像处理算法特别复杂，并不能实时处理，且在精度方面，现采用的去噪方法不可避免的使裂缝图像失真和缺失。
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2.3 SMA裂缝监测方法
利用形状记忆合金丝超弹性和激励回复产生较大驱动力的特性，将不同预拉长度及根数的Ni-Ti形状记忆合金（SMA）丝预埋入混凝土试验梁中。在试验中研究了混凝土梁加载过程中Ni-Ti形状记忆合金丝电阻变化率与混凝土梁裂缝宽度的关系和SMA丝通电激励过程中混凝土梁裂缝恢复的变化规律试验表明：SMA丝电阻变化率随混凝土梁裂缝宽度的增加发生规律性变化，特别是当混凝土裂缝宽度在0.3mm范围内变化时其电阻变化率对梁裂缝变化较敏感。该监测方法尚处于在实验室研究阶段，未能用于实际工程的裂缝监测。
2.4 导电涂膜裂缝监测方法
（1）导电涂膜裂缝监测系统工作原理
导电涂膜裂缝监测系统由导电涂膜、混凝土裂缝监测仪、电脑、连接线和混凝土裂缝监测软件系统构成。在把导电涂膜涂刷固化在混凝土结构监测部位后，通过电线将其与混凝土裂缝监测仪相连接，并安装、调试监测系统。当混凝土构件发生变形时，导电涂膜随混凝土构件表面一起发生变形，电阻也会变化。当涂膜所在部位产生拉伸变形时，涂刷在混凝土结构表面的涂膜就会变薄、变长，电阻就会变大；当产生裂缝时，电阻变为无限大；产生压缩时，涂刷在混凝土结构表面的涂膜变厚、变短，电阻就会变小。裂缝监测系统开始工作后，混凝土裂缝监测仪将按顺序循环扫描各个裂缝监测通道，并把采集到的导电涂膜电信号转换为数字信号并传输至电脑端口，通过混凝土裂缝监测软件形成实时电阻变化率曲线。
（2）裂缝情况判断依据
由于随混凝土结构所在环境温、湿度等的变化，涂膜电阻可能会不断发生变化（可通过设置补偿片来消除），因此对于混凝土裂缝产生与发展的判断不能仅依据涂层电阻的长期变化情况（累积电阻变化率），还要依靠测试某一极短时段内其电阻变化值的大小（即时电阻变化率）进行判断。当较小的冲击荷载或动荷载作用于混凝土构件上的时候，构件表面发生变形较小，其变形尚在弹性变化范围之内，此时导电涂膜即时电阻变化率先为正值再变为负值或相反（先拉伸再回弹或相反），其累积电阻变化率因正负值累加后互相抵消而无较大变化；当较大冲击荷载作用于混凝土结构上时，混凝土结构会发生脆性破坏，产生裂缝和较大的变形，该变形为永久变形，此时导电涂膜即时电阻变化率为正值较大、负值较小，其累积电阻变化率曲线的初始水平线因为正值累加值较大而跃升。因此，可以通过电阻变化率即时曲线与电阻变化率累积曲线的变化情况来判断混凝土结构是否发生裂缝以及裂缝是否继续扩展。
3．现常用的裂缝监测方法评述
（1）光纤光栅裂缝监测方法存在的缺点
①光纤光栅传感技术应用于实际结构中的是实用性能有待于验证。作为一种新的传感技术，尽管已开展了若干年的研究，但在实际工程中的应用时日尚短，许多性能有待于验证和改善。
②光纤施工难度较大，光纤的精巧与土建施工状况间的反差很大，光纤安装埋设工艺是其工程应用的关键性难点之一。
③实际工程中，光纤在安装埋设后较难保护，影响后期裂缝监测效果[4]；另外，光纤传感器耐久性问题和在结构有效期内的可靠性和长期稳定性问题同样也影响后期监测效果。
④光纤传感的校准及准确度评价方法不完善，还为解决光纤传感器、保护层和混凝土材料三者界面的微观力学问题，灵敏度存在一些问题，使得光纤传感的结果不能十分可靠地反映实际工程中混凝土损伤状态。
⑤目前光纤光栅解调设备价格昂贵、体积大，数据输出受到限制，还不适合在现场使用。
（2）其他方法存在的缺点
在给定较小区域内，采用图像监测方法进行短期裂缝监测是可行的。而在成像时，因裂缝本身并不反光，在图像中显示为暗区域，为达到较为理想的计算效果，在进行裂缝数据处理时必须选择恰当的阈值以区别裂缝与其附近区域，否则会造成不正确的裂缝监测结果。因此，测摄范围、环境尘埃和人为因素等都是影响图像监测方法的监测结果的重要因素。该方法在现阶段较难适用于完全暴露的大尺度混凝土桥梁结构的长期裂缝监测。
参考文献：
[1]徐 勇. 混凝土桥梁裂缝开展的机敏网监测方法与应用研究. 西南交通大学博士论文. 2012.
[2]江 毅， Leung C K Y. 分布式光纤裂缝传感器. 压电与声光. 2004，26（1）: 10-12.
[3]江 毅，Leung C K Y. 光纤裂缝传感器中裂缝宽度与光纤损耗关系分析. 北京理工大学学报. 2003，23（5）：492-495.
[4]丁 睿，工程健康监测的分布式光纤传感技术及应用研究. 四川大学博士论文. 2005.
[5]赵廷超，黄尚廉等. 光纤传感器用于混凝土结构状态监测的研究, 传感技术学报. 1997，3：33-37.
论文作者:陈林
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年7月总第212期
论文发表时间:2016/9/18
标签：裂缝论文; 光纤论文; 混凝土论文; 电阻论文; 方法论文; 混凝土结构论文; 传感器论文; 《工程建设标准化》2016年7月总第212期论文;