本發(fā)明涉及一種基于多路復(fù)用本征法布里-珀羅干涉儀的用于監(jiān)測鋼筋腐蝕膨脹徑向應(yīng)變分布的裝置，屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，用于混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕膨脹徑向應(yīng)變分布的監(jiān)測。

背景技術(shù)：

1、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有著施工程序簡便、施工效率高且周期短、長期使用時(shí)性價(jià)比高等眾多優(yōu)點(diǎn)，是一種非常經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式，其廣泛應(yīng)用于工業(yè)及民用建筑，是目前全世界建筑行業(yè)使用最為廣泛的結(jié)構(gòu)類型之一。然而，隨著時(shí)間的推移、工程結(jié)構(gòu)服役環(huán)境的復(fù)雜化，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題日益突出，鋼筋腐蝕導(dǎo)致了混凝土結(jié)構(gòu)的過早破壞。除此之外，在靠近海岸的橋梁或港口等工程中，由于腐蝕的原因，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建成后出現(xiàn)了更早的損壞現(xiàn)象，無法達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，降低原本應(yīng)具有的經(jīng)濟(jì)性。因此為了確保結(jié)構(gòu)安全正常運(yùn)行，對(duì)結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕膨脹徑向應(yīng)變分布的監(jiān)測是必不可少的。

2、目前，對(duì)于鋼筋腐蝕膨脹的常用檢測方法分為破損檢測及無損檢測兩大類。其中，破損檢測是將結(jié)構(gòu)鑿開，通過肉眼觀察漏出鋼筋的方式做判斷。該方法一般是在鋼筋腐蝕較嚴(yán)重的情況下進(jìn)行，此時(shí)已是結(jié)構(gòu)損壞中后期，無法達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測的效果。而無損檢測則包含了電阻棒法、渦流探測法、聲發(fā)射探測法、腐蝕電位法等。一方面，由于成本高、無法長期實(shí)時(shí)監(jiān)測，且受安裝條件、現(xiàn)場環(huán)境等多方面的限制，目前這些方法在實(shí)際工程中還難以大范圍應(yīng)用；另一方面，混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕多為沿長度和圓周分布不均勻的局部腐蝕，而這些方法無法檢測鋼筋腐蝕的不均勻性。

3、近年來，由于光纖小巧輕便、抗腐蝕、抗電磁干擾、可以實(shí)時(shí)監(jiān)測、進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化以及數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中受到了高度重視。其中，法布里-珀羅干涉型光纖傳感器通過在光纖上構(gòu)建法珀腔來實(shí)現(xiàn)光束間的干涉,當(dāng)被測物理量發(fā)生改變的時(shí)候,其兩相干光相位差也隨之變化,其干涉光譜發(fā)生漂移。傳統(tǒng)的法布里-珀羅干涉型光纖傳感器與分布式光纖相比，分辨率更高，可達(dá)到納米級(jí)別，但缺點(diǎn)在于只能進(jìn)行單一位置的測量。而多路復(fù)用本征法布里-珀羅干涉型光纖傳感器擁有多個(gè)琺珀腔，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)位置的監(jiān)測，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的不足之處。該類傳感器具有較高的分辨率與靈敏度，可應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的健康檢測，在鋼筋腐蝕膨脹監(jiān)測領(lǐng)域具有極大的發(fā)展空間。

4、因此，針對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕膨脹環(huán)向應(yīng)變分布的監(jiān)測，從新的技術(shù)角度提供一種高度靈敏、實(shí)時(shí)、無損的監(jiān)測裝置是尤為重要的，從而為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全服役提供重要保障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于監(jiān)測鋼筋腐蝕膨脹徑向應(yīng)變分布的裝置，其目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋腐蝕膨脹徑向應(yīng)變分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測，準(zhǔn)確地判定結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，從而保障結(jié)構(gòu)的安全。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案：

3、一種用于監(jiān)測鋼筋腐蝕膨脹徑向應(yīng)變分布的裝置，包括半環(huán)形不銹鋼外殼1、半環(huán)形不銹鋼外殼蓋2、半環(huán)形不銹鋼外殼底3、扇形空心外凸擠壓塊4、單模光纖5、法珀腔6、保護(hù)軟套7、蝶形手?jǐn)Q膠頭螺絲8、鉚釘9；

4、所述的半環(huán)形不銹鋼外殼1由半環(huán)形不銹鋼外殼蓋2和半環(huán)形不銹鋼外殼底3拼接成，如圖1所示，拼接時(shí)采用環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)；

5、所述的半環(huán)形不銹鋼外殼1內(nèi)半圓側(cè)是敞開的，且邊緣處有凸起部分；

6、所述的扇形空心外凸擠壓塊4材質(zhì)為pa12尼龍材料，通過多射流熔融3d打印技術(shù)制造而成；

7、所述的半環(huán)形不銹鋼外殼1中沿圓周放置有若干個(gè)扇形空心外凸擠壓塊4；

8、所述的扇形空心外凸擠壓塊4放于半環(huán)形不銹鋼外殼1中，外側(cè)的凹弧面被半環(huán)形不銹鋼外殼1內(nèi)半圓側(cè)邊緣凸起處阻擋住，不會(huì)滑出；

9、所述的扇形空心外凸擠壓塊4外側(cè)的凸弧面弧頂處與半環(huán)形不銹鋼外殼1內(nèi)部壁相接觸，且采用氰基丙烯酸酯膠水進(jìn)行粘結(jié)，其余接觸部分皆為普通接觸，沒有進(jìn)行任何粘結(jié)固定；

10、所述的扇形空心外凸擠壓塊4高度與半環(huán)形不銹鋼外殼1內(nèi)部空間高度相同；

11、所述的單模光纖5上由飛秒激光技術(shù)產(chǎn)生了若干個(gè)法珀腔6；

12、所述的單模光纖5從扇形空心外凸擠壓塊4的平面與弧形面交界線中點(diǎn)處穿透而過，如圖2所示；

13、所述的扇形空心外凸擠壓塊4與單模光纖5接觸部分采用氰基丙烯酸酯膠水進(jìn)行粘結(jié)；

14、所述的單模光纖5上的法珀腔6位于扇形空心外凸擠壓塊4中間空心部分的中間位置處；

15、所述的單模光纖5伸出半環(huán)形不銹鋼外殼1的部分采用保護(hù)軟套7進(jìn)行保護(hù)；

16、所述的兩個(gè)半環(huán)形不銹鋼外殼1之間，在進(jìn)行拼合時(shí)一端由鉚釘9進(jìn)行活動(dòng)鉚接，支持裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，不可拆卸。另一端由蝶形手?jǐn)Q膠頭螺絲8進(jìn)行連接，可進(jìn)行裝置打開；

17、所述的半環(huán)形不銹鋼外殼1尺寸與扇形空心外凸擠壓塊4數(shù)量和尺寸根據(jù)實(shí)際待測鋼筋的直徑大小進(jìn)行調(diào)整。

18、本發(fā)明的工作原理：

19、基于多路復(fù)用本征法布里-珀羅干涉儀的用于監(jiān)測鋼筋腐蝕膨脹徑向應(yīng)變分布的裝置原理如圖9所示，當(dāng)鋼筋發(fā)生腐蝕膨脹時(shí)，膨脹物會(huì)對(duì)扇形空心外凸擠壓塊4施加徑向擠壓力，此時(shí)扇形空心外凸擠壓塊4徑向應(yīng)變會(huì)減小，而環(huán)向應(yīng)變會(huì)增大。由于扇形空心外凸擠壓塊4與單模光纖5接觸部分采用氰基丙烯酸酯膠水進(jìn)行粘結(jié)，因此單模光纖5會(huì)隨著扇形空心外凸擠壓塊4環(huán)向應(yīng)變的增大而伸長，這也導(dǎo)致了法珀腔6的腔長由l伸長至l’，從而引起了法珀腔6的拉伸應(yīng)變?cè)龃?。通過建立扇形空心外凸擠壓塊4環(huán)向應(yīng)變量與法珀腔6拉伸應(yīng)變?cè)龃罅康年P(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋腐蝕膨脹徑向應(yīng)變分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

20、如圖9所示，在鋼筋發(fā)生腐蝕前，扇形空心外凸擠壓塊4空心部分上半段可視為邊長為a的等腰三角形，底角角度為θ。此時(shí)扇形空心外凸擠壓塊4空心部分處的光纖長度l為

21、l＝2acosθ????????????????????????(1)

22、當(dāng)鋼筋發(fā)生腐蝕后，體積膨脹引起沿圓周某一點(diǎn)處的半徑增加量x，此時(shí)該處的扇形空心外凸擠壓塊4空心部分上半段等腰三角形腰長不變，高減少從而導(dǎo)致光纖產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)變被拉長，長度l′為

23、

24、該部分的光纖伸長變形量δl為

25、

26、則光纖的應(yīng)變?chǔ)艦?/p>

27、

28、基于瑞利散射分布式光纖應(yīng)變傳感原理，當(dāng)應(yīng)變發(fā)生改變時(shí)，光纖中光信號(hào)的背向瑞利散射光譜在頻率上會(huì)發(fā)生偏移，其偏移量的大小與應(yīng)變的變化大小成正比，即

29、v′＝v0+c·ε??????????????????????(5)

30、式中，ν0和ν′分別為鋼筋腐蝕前與腐蝕后的光譜頻移；c為應(yīng)變系數(shù)(dv/dε)；ε為光纖應(yīng)變。

31、又因?yàn)殇摻钛貓A周某一點(diǎn)處的徑向應(yīng)變?chǔ)拧渑c增加量x間的關(guān)系式為

32、

33、式中，r為鋼筋原半徑。

34、將關(guān)系式(4)代入關(guān)系式(5)后，再將關(guān)系式(6)代入，得到光譜頻移與鋼筋沿圓周某一點(diǎn)處的徑向應(yīng)變?chǔ)拧涞年P(guān)系式，即

35、

36、所以，通過光纖測得的光譜頻移，再依據(jù)關(guān)系式(7)，即可得出腐蝕后鋼筋沿圓周某一點(diǎn)處的徑向應(yīng)變?chǔ)拧洹?/p>

37、因此，基于上述發(fā)明原理，我們通過連續(xù)光纖測得的光譜頻移即可監(jiān)測到鋼筋是否發(fā)生腐蝕，并計(jì)算出鋼筋腐蝕膨脹后沿圓周各點(diǎn)的徑向應(yīng)變分布情況。

38、本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：

39、(1)本發(fā)明通過監(jiān)測光纖中光譜信號(hào)的變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋腐蝕膨脹徑向應(yīng)變分布的監(jiān)測。

40、(2)本發(fā)明對(duì)鋼筋腐蝕膨脹物產(chǎn)生的擠壓力較敏感，靈敏度較高，且性能穩(wěn)定。

41、(3)本發(fā)明能夠?qū)崟r(shí)、在線、無損地監(jiān)測鋼筋腐蝕膨脹徑向應(yīng)變分布情況，從而對(duì)結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行預(yù)警維護(hù)。

42、(4)本發(fā)明制作簡單、經(jīng)濟(jì)成本低，大大降低了人工作業(yè)量，且安裝方便，便于大規(guī)模投入使用。