本發(fā)明涉及工程結(jié)構(gòu)與傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種微預(yù)應(yīng)力技術(shù)，具體涉及一種內(nèi)置式光纖傳感器的布設(shè)結(jié)構(gòu)及其方法。

背景技術(shù)：

光纖傳感器有分布式和光柵光纖兩種，都可以內(nèi)置于混凝土結(jié)構(gòu)中。

由于混凝土施工比較粗放，灌注時的沖刷、為了密實化采取的搗振、拆卸模板時的敲擊都可能破壞纖弱的光纖，因此作為傳感器使用的光纖不宜為裸光纖(直徑125微米)，大體可為二種類型：

1、緊包光纖，裸光纖經(jīng)過人字形纖維紡織套裝、或者用聚乙烯鎧裝，直徑0.6mm；

2、以各種方式再次緊包裹形成的光纖棒或光纖纜索，一般直徑6mm左右。

光纖棒采用拉擠型玻璃纖維增強高分子材料(glassfiberreinforcedpolymer，gfrp)包裹光纖，也可以(再)采用聚乙烯材料包裹；光纖纜索一般采用鋼絲繩，其中軸線為緊包光纖。

由于混凝土澆筑工程通常分很多節(jié)段，在日期上分階段施工，而節(jié)段長度往往只有3到10米，不適合逐段熔接；以上兩種光纖產(chǎn)品在內(nèi)置時，總難免展開、穿過鋼筋籠、然后再卷繞、懸掛存放的繁瑣過程。即使避免了穿過鋼筋籠，還難免要穿過復(fù)雜的措施結(jié)構(gòu)，如腳手架、掛籃結(jié)構(gòu)和支架等，非常繁瑣。在混凝土養(yǎng)護期間，一部分光纖已經(jīng)置入，而另一部分光纖還以卷繞狀態(tài)放置一旁，亦容易折斷損壞；更有甚者，自由的光纖棒和光纖纜索具有一定的柔軟性，在混凝土截面上的臨時伸出點上，光纖容易發(fā)生折斷損壞。

通常以溝槽法內(nèi)置光纖效果不佳，會出現(xiàn)測量結(jié)果不穩(wěn)定、多次卸載后光纖衰減率異常增大、無法讀出測量結(jié)果等現(xiàn)象。

經(jīng)檢索，尚無在混凝土結(jié)構(gòu)表面開槽植入光纖并施加微預(yù)應(yīng)力的報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點和不足，提供一種內(nèi)置式光纖傳感器布設(shè)的結(jié)構(gòu)及其方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

一、內(nèi)置式光纖傳感器布設(shè)結(jié)構(gòu)

本結(jié)構(gòu)包括混凝土結(jié)構(gòu)10、光纖智能筋、壓塊、螺栓或螺釘和填補材料；

在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置有開槽，在開槽內(nèi)敷設(shè)有光纖智能筋，通過壓塊和螺栓或螺釘將光纖智能筋固定在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)。

二、內(nèi)置式光纖傳感器布設(shè)方法

①制作光纖智能筋：光纖棒或光纖纜索；

②在混凝土結(jié)構(gòu)上切槽并敷設(shè)光纖智能筋；

③對光纖智能筋施加微預(yù)應(yīng)力；

④填補開槽。

工作原理：

光纖只能感知伸長量而不能對壓縮量做出反應(yīng)；另外，光纖傳感器的特點是光纖既是敏感元件同時又是傳輸介質(zhì)；光纖受壓時，會發(fā)生局部彎曲，這種彎曲影響光的傳導(dǎo)，導(dǎo)致衰減過大，信號微弱，影響全線檢測；因此，對光纖施加微預(yù)應(yīng)力，能使光纖在一定的受壓范圍內(nèi)，對壓縮應(yīng)變?nèi)阅茏龀鲰憫?yīng)(原有伸長量變小)，同時避免因局部彎曲而全線失效；如果不施加微預(yù)應(yīng)力，在卸載過程中光纖傳感器即會失效；在工程結(jié)構(gòu)正常使用過程中，難免會有反復(fù)的加、卸載過程，因此，微預(yù)應(yīng)力是光纖傳感器應(yīng)用于混凝土工程的關(guān)鍵技術(shù)。

本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果：

①敷設(shè)了光纖智能筋的混凝土結(jié)構(gòu)具有自監(jiān)測和自診斷功能

光纖智能筋既是混凝土結(jié)構(gòu)的一部分，有時可以取代某處的鋼筋，又是傳感器，可以測量應(yīng)變、應(yīng)力、溫度和混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂紋與位置等很多物理變化狀況；

②內(nèi)置式光纖傳感器具有穩(wěn)定性好、耐腐蝕、抗電磁干擾強、體積小、重量輕和精度高等優(yōu)點；

③可以機械化一次性作業(yè)，提高了生產(chǎn)效率，避免了各階段反復(fù)施工的復(fù)雜性，光纖性能均勻，效果明顯；

④適用于道路、橋梁、隧道和地鐵等工程的施工與監(jiān)測。

附圖說明

圖1是本結(jié)構(gòu)的主視圖；

圖2是圖1的a-a剖視圖；

圖3是本方法的步驟流程圖。

圖中：

10—混凝土結(jié)構(gòu),11—開槽；

20—光纖智能筋，21—光纖；

30—壓塊；

40—螺栓或螺釘；

50—填補材料。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)說明：

一、結(jié)構(gòu)

1、總體

如圖1、2，本結(jié)構(gòu)包括混凝土結(jié)構(gòu)10、光纖智能筋20、壓塊30、螺栓或螺釘40和填補材料50；

在混凝土結(jié)構(gòu)10內(nèi)開有切槽11，在切槽11內(nèi)埋設(shè)有光纖智能筋20，通過壓塊30和螺栓或螺釘40將光纖智能筋20固定在混凝土結(jié)構(gòu)10內(nèi)。

2、功能部件

1)混凝土結(jié)構(gòu)10

混凝土結(jié)構(gòu)10是設(shè)置光纖智能筋20的母體。

2)光纖智能筋20

光纖智能筋20是將光纖21經(jīng)過預(yù)先加強形成的；

其內(nèi)是用人字形纖維紡織套裝、或用聚乙烯鎧裝裸光纖，直徑0.6mm左右；

其外是以各種方式再次緊包裹形成光纖棒或光纖纜索，直徑6mm左右。

3)壓塊30

壓塊30為通用件；

其功能是固定光纖智能筋20。

4)螺栓或螺釘40

螺栓或螺釘40為通用件；

其功能是固定光纖智能筋20。

5)填補材料50

填補材料50為混凝土或樹脂混凝土；

其功能是固定光纖智能筋20。

二、方法

本方法包括下列步驟：

①制作光纖智能筋：光纖棒或光纖纜索-1

用在混凝土結(jié)構(gòu)中的光纖21是經(jīng)過預(yù)先加強的，預(yù)先加強的光纖稱為光纖智能筋20：

a、用人字形纖維紡織套裝、或用聚乙烯鎧裝裸光纖，直徑0.6mm左右；

b、以各種方式再次緊包裹形成光纖棒或光纖纜索，直徑6mm左右；

典型的光纖棒是采用拉擠型玻璃纖維增強高分子材料(glassfiberreinforcedpolymer,gfrp)包裹光纖，或(再)采用聚乙烯材料包裹；

典型的光纖纜索采用不銹鋼鋼絲繩，它的中心線為緊包光纖；

這些經(jīng)過加強的光纖智能筋在施工過程中可以承受沖擊、震動和拖拽力等而不至于損壞，卻仍可以傳遞應(yīng)力、應(yīng)變和溫度而不失真。

②在混凝土結(jié)構(gòu)上開槽并放入光纖智能筋-2

以砂輪切割機為工具開槽，在混凝土結(jié)構(gòu)10的各階段完工后統(tǒng)一開槽，雖然早期澆筑的混凝土齡期已經(jīng)較長，后期完工的混凝土齡期較短，混凝土硬度不同，但是可以一次作業(yè)將光纖智能筋20全部植入，便于操作；較之配合混凝土的澆筑階段而作的分段作業(yè)，具有維護簡便、光纖均勻性好等優(yōu)勢。

③對光纖智能筋施加微預(yù)應(yīng)力-3

所施加的微預(yù)應(yīng)力不需要定量，也不需要測定；

由于光纖對應(yīng)力應(yīng)變或溫度的響應(yīng)是線性的，預(yù)應(yīng)力的作用僅僅保持光纖的性能而不影響測量讀數(shù)；

具體地說，儀器使用時需要調(diào)零，可以把新的狀態(tài)作為零點；

所施加的微預(yù)應(yīng)力可以用收緊器(一種螺桿裝置)施加，也可以用手動施加；施加微預(yù)應(yīng)力需要大體有一個范圍，因此需要大致定量，可以用位移法確定，即每10米或100米拉長多少厘米；

所施加的微預(yù)應(yīng)力，采用每隔一定距離設(shè)置夾板、夾扣或壓扣臨時加以維持，直到開槽被重新填補；

④填補開槽-4

對光纖智能筋施加微預(yù)應(yīng)力后，需要填補開槽；

填補材料為混凝土或樹脂混凝土；

采用混凝土填補時，為了保證填料不致收縮，配方除采用母材配方以外，還要加入少量膨脹劑；膨脹劑的使用劑量，經(jīng)過試驗，光纖智能筋所受的徑向壓力對測量結(jié)果的影響完全可以忽略不計，膨脹劑的使用劑量不影響測量結(jié)果；因此，膨脹劑劑量以本身不產(chǎn)生收縮裂紋、且不引起母體產(chǎn)生擠壓裂縫為度；

采用樹脂混凝土填補時，按照樹脂使用說明，先以樹脂配以固化劑，再添加石英砂等骨料形成填料，采取壓力泵擠出填料填補，也可采用手工涂抹的方式；樹脂的凝固時間一般設(shè)在4小時左右，樹脂混凝土的量也控制在4小時作業(yè)的工程量。

實施例：

1、先在混凝土結(jié)構(gòu)中開槽，通常采用雙刃砂輪切割機，同時切開左右兩條縫，然后用機械(電鉆)或手工(鑿子)鑿除中間體；通常槽的深度為1-4.5cm，以2cm為佳；保持底部平直，寬度一般在0.8-3cm，1.5cm為佳。

2、放入光纖智能筋(可以是1根，也可以是2根或多根)，避免光纖智能筋扭轉(zhuǎn)；為了確定光纖智能筋的張力，在光纖上標(biāo)記一定距離，比如10米(80m等)，測定標(biāo)記原始長度。

3、實施微預(yù)應(yīng)力，光纖智能筋因此受力緊張；測量標(biāo)記段落的新長度，判斷是否達(dá)到設(shè)定的微預(yù)應(yīng)力。

4、每隔一定距離，通常為15m-100m，用夾板(夾扣、壓片)把光纖智能筋固定在結(jié)構(gòu)母體上，也就是槽的底部；當(dāng)然也可以把固定鋼釘或螺栓固定在槽的側(cè)面、甚至外邊，并用墊片夾緊；由此維持光纖智能筋保持一定的微預(yù)應(yīng)力；也就是說，保持張拉后的緊張程度；檢查本段的微預(yù)應(yīng)力是否有失效(變松弛)情況，如果有，需要松開相應(yīng)的夾板，重新張拉并再次用夾板固定。

5、全線鋪設(shè)后，檢查各段的微預(yù)應(yīng)力是否正常，如果有異常，要加以調(diào)整，需要松開相應(yīng)的夾板，重新張拉并再次用夾板固定。

6、檢查全線光纖智能筋張力正常后，用激光筆或其他檢測設(shè)備，驗證光路暢通；然后用填補料將開槽填實，如果以混凝土填補，需要做必要的養(yǎng)護(保持濕度)填補料固化后，作業(yè)即全部完成。