1、概述
本研究采用昊衡科技的OSI 設(shè)備，在高空間分辨率下，讀取了粘貼在結(jié)構(gòu)表面的分布式光纖的實(shí)時(shí)應(yīng)變分布，進(jìn)而分析了在結(jié)構(gòu)開裂時(shí)，光纖內(nèi)部界面的力學(xué)行為變化，揭示了纖芯和包層界面由強(qiáng)粘結(jié)向脫粘轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。通過光纖的界面受力分析，建立了一個(gè)新的應(yīng)變傳遞模型，使得分布式光纖可以用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的微宏觀裂縫。
2、測(cè)試過程
本文開展了兩個(gè)試驗(yàn)，在第一個(gè)試驗(yàn)中，如圖1所示，將分布式光纖粘貼于兩塊不銹鋼板上，全長0.5 m，通過步進(jìn)電機(jī)以1微米每秒的速度，移動(dòng)單側(cè)鋼板，模擬結(jié)構(gòu)單個(gè)裂縫的生成和發(fā)展，裂縫寬度從0發(fā)展到2 mm，期間采用OSI記錄光纖的應(yīng)變分布及變化。在第二個(gè)試驗(yàn)中，將分布式光纖粘貼于鋼筋混凝土梁構(gòu)件的純彎區(qū)，從梁底往上，總共粘貼3段，每段長度為0.5 m，隨后，梁構(gòu)件在四點(diǎn)彎設(shè)置下進(jìn)行加載，于純彎區(qū)產(chǎn)生多個(gè)貫穿光纖監(jiān)測(cè)區(qū)域的裂縫，加載期間采用OSI記錄光纖在多裂縫下的應(yīng)變分布及變化。
圖1 光纖結(jié)構(gòu)及模擬開裂試驗(yàn)設(shè)置
圖2 四點(diǎn)彎梁試驗(yàn)設(shè)置
3、測(cè)試結(jié)果
第一個(gè)試驗(yàn)的光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)，如圖3所示，COD為裂縫寬度，可以發(fā)現(xiàn)，小裂縫和大裂縫寬度下，光纖的應(yīng)變呈現(xiàn)兩種不同的分布形態(tài)，本質(zhì)原因在于，大裂縫寬度下，光纖內(nèi)部的纖芯和包層界面由強(qiáng)粘結(jié)向脫粘轉(zhuǎn)變，如圖4所示。基于此現(xiàn)象，通過受力分析和邊界條件設(shè)定，推導(dǎo)了一個(gè)基于界面斷裂能的應(yīng)變傳遞模型，如圖5所示，該模型描述了光纖的內(nèi)部界面，隨著COD增大，由硬化-軟化-脫粘的發(fā)展。該模型的作用在于，通過光纖測(cè)得的應(yīng)變分布，去反算結(jié)構(gòu)此時(shí)的開裂寬度，從0~2mm均可。該模型的有效性，也通過其他文章的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。本文的四點(diǎn)彎梁試驗(yàn)，進(jìn)一步探究了如何采用這個(gè)新的模型去得到多裂縫情況下的裂縫寬度。如圖6和7所示，光纖捕捉到了梁純彎區(qū)的5條裂縫，且基于應(yīng)變疊加原理，應(yīng)變傳遞模型準(zhǔn)確得到了多裂縫情況下，每個(gè)裂縫的寬度，但當(dāng)界面脫粘出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)變疊加原理失效，未來需要進(jìn)一步研究如何將新模型應(yīng)用于此種情況。
圖3 模擬開裂試驗(yàn)結(jié)果
圖4 界面脫粘slip示意圖
圖5 界面狀態(tài)的變化情況
圖6 四點(diǎn)彎梁試驗(yàn)結(jié)果
圖7 四點(diǎn)彎梁分布式光纖應(yīng)變分布及應(yīng)變傳遞模型擬合情況
4、實(shí)驗(yàn)結(jié)論
本研究揭示了在結(jié)構(gòu)開裂下，光纖內(nèi)部界面的力學(xué)行為變化，并提出了一個(gè)新的應(yīng)變傳遞模型，用于通過分布式光纖應(yīng)變分布反算結(jié)構(gòu)的裂縫寬度，實(shí)現(xiàn)了0~2 mm寬度的準(zhǔn)確量化。還對(duì)單一裂縫和密集多裂縫兩種情況進(jìn)行了探究，拓寬了分布式光纖在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。未來，有望通過利用穩(wěn)定的界面脫粘行為，發(fā)明新型光纖，進(jìn)而推動(dòng)分布式光纖在局部大應(yīng)變的監(jiān)測(cè)應(yīng)用。理論細(xì)節(jié)和詳細(xì)研究展望歡迎下載原文了解。
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來源：Structural Health Monitoring
題名：Distributed fiber optic sensing for micro-and macro-crack quantification: an interfacial-fracture-energy-based model
作者：Lin, S. Q., Tan, D. Y., Yin, J. H., Zhu, H. H., & Kong, Y.
原文鏈接：https://doi.org/10.1177/14759217231215482
