分布式光纤技术在大型混凝土筏基应变和温度监测中的应用

《Optical Fiber Technology》：Application of distributed optical fiber technology for strain and temperature monitoring in mass concrete raft foundations

　　动态温度补偿模型与优化传感器布置策略在大体积混凝土结构健康监测中的应用研究。

　　分布式光纤传感技术在大体积混凝土结构健康监测中的应用正变得越来越重要。这种技术不仅具备高灵敏度和长距离监测能力，还能够实现对温度和应变等多参数的同步检测。然而，由于光纤传感机制中固有的温度与应变交叉敏感性，测量精度常常受到限制。因此，需要对采集的数据进行温度补偿，以消除温度变化对应变测量的干扰。传统温度补偿方法，尤其是参考光纤法，通常假设补偿系数为常数，忽略了其随温度变化而变化的特性，导致在高热梯度环境下测量误差显著增加。此外，不恰当的传感器安装方式往往导致传感器在施工过程中存活率低，机械解耦现象严重，影响监测数据的可靠性。为了解决这些问题，本研究开发了一种动态温度补偿模型，该模型引入了与温度梯度相关的补偿系数K，并通过实验对Brillouin光时域反射仪（BOTDR）系统进行了标定。同时，通过对比实验对钢筋混凝土梁进行传感器部署策略的优化，旨在提高应变传递效率和传感器的存活率。所提出的方法在大体积混凝土筏板基础的现场监测中得到了验证，成功捕捉了关键区域的应变和温度演变过程。该研究为分布式光纤监测大体积混凝土结构中的应变和温度提供了理论基础和技术支持。

大体积混凝土筏板基础是大型基础设施项目中的关键结构组成部分。在施工过程中，由于水泥水化热的释放，混凝土内部与外部之间会产生显著的温度梯度，从而容易引发热裂缝。因此，准确监测温度和应变对于评估结构完整性、评价施工质量以及降低裂缝风险至关重要。近年来，分布式光纤传感技术取得了显著进展，并在大体积混凝土结构监测中展现出独特优势。这些传感器体积小、重量轻，可以在不损害结构性能的前提下嵌入混凝土中。由于光纤主要由玻璃构成，其具有良好的化学稳定性和抗电磁干扰能力，能够在恶劣环境中长期运行而不受腐蚀影响。这些特性对于处于复杂环境条件下的混凝土结构尤为重要。与传统点式传感器不同，分布式光纤传感技术通过单根光纤实现大规模、远距离、连续和实时监测，因此特别适用于大体积混凝土工程。此外，分布式光纤传感器还能够通过先进的解调技术，如Brillouin光时域反射仪（BOTDR）、瑞利光时域反射仪（ROTDR）和光纤光栅（FBG）等，实现对多个参数的同步测量，从而提供全面的结构健康信息。

尽管已有研究显著推动了分布式光纤传感技术在大体积混凝土结构中的应用，但在实际工程实施中仍存在一些关键的技术挑战。首先，光纤传感器对温度和机械应变均敏感。温度和机械应变都会通过光弹性效应改变光纤的折射率，进而调制光信号的传输特性。这种温度与应变的交叉敏感性使得难以在测量信号中区分两者的独立影响。尽管已有研究提出了多种温度补偿方法，如双FBG差分方案、改进的温度补偿模型和不同的封装配置实验，但大多数方法基于FBG技术。对于BOTDR，温度补偿方法主要包括参考光纤法、双参数矩阵法、Landau-Placzek比值法和结合拉曼-布里渊散射技术。然而，参考光纤法仍是大体积混凝土结构监测中广泛采用的方法。

参考光纤法的基本原理是：将参考光纤传感器与应变光纤传感器安装在相同的空间位置。理论上，可以通过从应变光纤信号中减去参考光纤的温度响应，得到实际结构的应变值。然而，这种方法假设温度补偿系数（即温度变化与测量应变之间的转换比例）为常数，这一假设与大体积混凝土的实际热力学环境存在显著矛盾。混凝土浇筑后，水化热的演变会导致温度从环境温度（约20°C）上升至超过70°C的峰值。在如此宽泛的温度范围内，光纤材料的特性表现出非线性，从而导致温度补偿系数并非恒定。现有研究并未对这种非线性行为进行量化，也未定义一个能够考虑温度区间差异的动态补偿系数。因此，参考光纤法在温度快速变化阶段表现出较大的补偿误差，无法满足大体积混凝土结构的监测需求。

为克服这些局限性，本研究基于BOTDR系统对参考光纤的温度补偿公式进行了改进。通过引入动态变化的温度补偿系数K，该公式能够更准确地反映温度对应变测量的影响。在实验中，对不同温度梯度下的补偿系数K进行了标定，并验证了其在应变信号处理中的有效性。结果显示，当使用改进后的温度补偿公式后，应变值在去除温度影响后基本保持为零，这与理论模型中放松状态的光纤传感器表现一致，表明所提出的温度补偿公式具有较高的准确性。

此外，本研究还探讨了分布式光纤传感器在混凝土结构中的安装方法。通过对比实验对钢筋混凝土梁的传感器布置进行了优化，提出了Group B的安装策略。Group B采用悬挂式布局，通过钢丝将光纤传感器悬挂在钢筋上方，减少了光纤与钢筋之间的直接接触，从而允许光纤自由变形并与混凝土协同工作。相比之下，Group A采用传统的钢筋固定方式，即通过绑扎带将光纤与钢筋紧密连接。虽然在低载荷下应变传递效率较高，但随着载荷增加，界面剪切应力集中可能导致滑移或剪切变形，从而显著降低应变传递效率。实验结果显示，Group B的传感器布置策略在应变传递效率方面明显优于Group A，其效率在整个加载过程中保持在0.8左右，而Group A的效率则在载荷超过12 mm时急剧下降，并伴随应变曲线的波动和失真。这表明，优化的传感器布置策略有助于提高监测的可靠性和准确性。

在实际应用中，本研究将上述理论和方法应用于某大型交通枢纽项目的大体积混凝土筏板基础监测。该筏板基础长度为281米，宽度为190米，厚度为3.5米，分为八个区域进行浇筑。通过有限元分析，结合ABAQUS软件对筏板基础的温度场进行模拟，确定了温度梯度较大的区域，从而优化了光纤传感器的布置。模拟结果表明，筏板基础的温度梯度呈现出对称分布特性，边界区域的温度梯度最大，而中心区域的温度变化更为复杂。因此，光纤传感器被布置在筏板基础的一半边界区域，以实现对上下表面和侧模区域的应变和温度变化的精准监测。此外，针对中心区域的高温特性，采用直线布局方式以准确捕捉温度变化；而针对表面和边缘区域的高热传导能力，采用S形布局以增强关键区域的数据可靠性与空间分辨率。

现场监测过程中，光纤传感器被连接至ROTDR和BOTDR解调器，形成了一个完整的分布式光纤监测系统。监测数据显示，筏板基础的温度和应变变化呈现出显著的动态特征。在浇筑初期，由于水泥水化热的释放，核心区域的温度迅速上升至70°C，升温速率为约1°C/小时。然而，由于混凝土的热传导性较低，表面温度上升较慢，仅约为0.6°C/小时，导致核心区域与表面之间形成约20°C的温差，从而产生显著的热梯度。在随后的降温阶段，核心区域的温度下降缓慢，而表面和边缘区域则因直接与环境空气进行热交换，降温较快，从而形成更大的温度差。这种显著的热梯度是引发结构热应力的主要因素。

监测结果还表明，筏板基础的上表面在初始阶段表现出较大的拉伸应变，最高值达到130μ?。这种拉伸应变主要由核心区域的快速升温所引起，由于表面区域的温度较低，导致上下表面之间出现较大的热膨胀差异，从而引发拉伸应力。随着温度逐渐趋于均匀，拉伸应变在降温阶段有所增加，最终稳定在约20μ?。与此同时，下表面则主要表现出压缩应变，其数值在初始阶段约为24μ?，随后在降温过程中逐渐减小，最终稳定在约5μ?。这表明，筏板基础的下表面受到基础或垫层的约束，限制了其自由收缩，从而产生残余压缩应力。

值得注意的是，监测过程中在光纤的多个位置（如96米、103米、110米、115米、120米、127米、132米和145米）检测到了显著的应变变化。这些区域的应变波动可能表明存在较高的裂缝风险，因此需要在维护过程中特别关注这些关键部位，采取加强养护和监测的措施。此外，上表面和侧模区域的应变变化幅度较大，这主要归因于混凝土内外部之间的显著温差，以及表面与环境空气之间的频繁热交换。因此，在施工后期的养护阶段，应加强对这些区域的监测，以及时发现可能的裂缝迹象。

综上所述，本研究通过引入动态温度补偿系数K，改进了传统参考光纤法的局限性，提高了大体积混凝土结构的应变监测精度。同时，通过优化传感器布置策略，显著提升了应变传递效率和传感器的存活率。现场监测结果验证了所提出方法的有效性，为大体积混凝土结构的健康监测提供了坚实的理论基础和关键技术支持。未来的研究应进一步关注如何减少实验室测试和现场监测中可能出现的测量漂移问题，以提高数据的可靠性和工程应用的可行性。