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基于PPP-BOTDA光纤传感器的混凝土梁火灾温度测量与损伤检测

摘要：本研究首次采用基于布里渊散射的分布式光纤传感器来测量混凝土结构在火灾中的温度分布和检测裂缝。一种电信级光纤，其特征在于具有脉冲前置泵浦布里渊光时域分析（PPP-BOTDA），可用于测量火灾中钢筋混凝土梁的空间分布温度。四根梁在天然气燃料的隔间火灾中进行了失效测试，每根梁都装有一个熔融石英，用作分布式传感器的单模光纤和四个热电偶。在混凝土开裂之前，热电偶位置处的分布温度通过小于9%的相对差异进行了验证。由于混凝土裂缝局部充满了热空气，因此可以将其识别为温度分布的尖峰。混凝土开裂并未影响分布式传感器的灵敏度，但混凝土剥落破坏了PPP-BOTDA测量所需的光纤回路。

关键词：混凝土裂缝检测；分布式光纤传感器；PPP-BOTDA；结构消防安全；温度分布

1导言

在火灾中，由于材料性能退化和高温引起的剥落[1, 2]，混凝土结构的承载力和完整性会显著降低。当结构构件内的温度分布在现场已知时，通过热机械分析可以更可靠地评估结构的剩余承载力[3]。结构火灾试验分析的实践现状是使用热电偶（或测量热通量来计算表面温度）的混凝土构件局部测量表面或内部温度，然后估计在混凝土结构内的温度分布[4]。虽然热电偶可以用来测量多个位置的温度，但所需的布线成本高且耗时-尤其是在大型结构中。更重要的是，热电偶的测量可能受到电磁干扰、湿气和意外接头的不利影响[5]。对于火灾研究，缺乏有效的温度分布测量工具。

光纤传感器结构紧凑、耐用、准确，不受电磁干扰，抗干扰，抗恶劣环境。它们可以是用于应变和温度测量的各种类型的干涉仪。例如用飞秒激光器[6]，混合单模和多模的迈克尔逊光纤干涉仪光纤[7]和采用传统单模光纤的马赫-曾德尔干涉仪[8]。它们也可以是光栅传感器，如光纤布拉格光栅（FBG）[9，10]和长周期光纤光栅（LPFGs）[11，12]。当温度超过300℃[13，14]时，传统的光栅传感器会显著降低，再生的FBG传感器可以在1000℃下生存。然而，光栅传感器和干涉传感器都不能提供完全分布的测量。虽然多个光栅传感器可以通过多路复用以形成准分布式传感器[16]，但它们的制造成本高且不方便。

基于光散射的全分布式电信级光纤传感器在过去十年中吸引了越来越多的研究兴趣。例如，拉曼散射用于测量温度变化[17]。采用瑞利散射法测量应变和温度，空间分辨率高[18]。采用单端自发布里渊散射测量布里渊光时域反射法（BOTDR）中的应变和温度，采用双端受激布里渊散射增强布里渊光时域分析（BOTDA）中的应变和温度测量。结果表明，温度高达1050摄氏度时，可预测布里渊频率的变化[19]。温度灵敏度在400℃以上时下降[19]。采用带有侧孔的光纤与传统的BOTDA[20]开发了高温传感器，已有报道布里渊频率与温度之间的线性关系，其温度高达1000℃。

BOTDA和BOTDR的空间分辨率均为半米 ，这对于某些结构应用中的应变测量来说过于粗糙[21]。因此，最近开发并商业化了一种脉冲前置泵BOTDA（PPP-BOTDA），其空间分辨率为2 cm，测量距离为500 m[19]。PPP-BOTDA技术已应用于测量应变分布和检测环境温度下的裂纹[22–26]。最近，用于高温应变和温度测量的PPP-BOTDA传感器被描述为[27，28]，并在火灾中用于钢梁[29]。通过退火处理，最高操作温度已延长至1000℃[30]。然而，全分布式光纤传感器从未嵌入混凝土中，以研究其在火灾研究中的潜力。

在这项研究中，四根小尺寸钢筋混凝土梁在国家标准技术研究所（NIST）新建的国家火灾研究实验室的天然气燃料隔间火灾中进行了测试，旨在开发一种适用于高温应用的有效传感工具。每根梁都装有一个分布式光纤传感器和四个热电偶，并暴露在强度不断增加的火灾中，直到混凝土发生大面积剥落。热电偶用于验证热电偶位置处的分布式传感器。

2分布式光纤传感器

2.1光纤说明

采用聚合物护套芳纶纱单模通信光缆作为分布式温度传感器。如图1所示，光纤具有紧密聚合物缓冲层（直径：900mu;m）、聚合物外涂层（外径：242mu;m）、聚合物内涂层（外径：190mu;m）、二氧化硅（玻璃）芯（直径：8.2mu;m）和二氧化硅（玻璃）包层（外径：125mu;m）。光波沿光纤传播，在芯层和包层的界面上发生全内反射[16]。聚合物缓冲液和涂层保护玻璃免受机械冲击、磨损和环境暴露。缓冲层和涂层在大约300°C到400°C的温度下被烧掉。但是，玻璃芯和包层可以承受1000°C以上的温度。光纤可以在鞘层中滑动，摩擦力可以忽略不计，因此分布式传感器测量温度变化引起的布里渊频移。一旦校准，传感器可用于评估测量布里渊频移的温度变化。

图1 光纤示意图

2.2 PPP-BOTDA的工作原理

PPP-BOTDA使用脉冲泵浦波和反向传播的连续探针波测量光纤长度上任何点的受激布里渊后散射光[21]。当泵浦波和探针波之间的频差与晶格振动相关的频率匹配时，探针波被放大，频差称为布里渊频率。布里渊频率取决于光纤的光学特性，而光纤的光学特性随光纤上施加的应变和温度而变化。后向散射光的到达时间与光纤中施加应变和温度的位置有关。对于硅基单模光纤，对于波长为1.3mu;m至1.6mu;m的光波，布里渊频率nu;b通常在9GHz至13GHz之间，可通过[21]计算得出：

(1)

式中，表示初始光波的频率，n表示光纤，表示光纤中声波的速度，c（=3.0times;108m/s）表示真空中的光速。声波的速度由[22]给出：

(2)

其中mu;、e和rho;分别表示纤维的泊松比、杨氏模量和密度。

折射率和密度与温度和应变有关。泊松定律比值和杨氏模量仅与温度有关。因此，布里渊频率随纤维的应变和温度变化而变化。对于应变的相对较小变化温度相对于其校准值，布里渊频移可以与应变和温度变化呈线性关系[21]：

(3)

式中，和分别表示应变和温度灵敏度系数。对于无应变变化的光纤，布里渊频移只取决于温度变化。对于温度的大变化，这种关系是非线性的[30]。当应变和温度同时变化时，可以加入一种无应变的附加纤维进行温度补偿。

2.3传感器校准

实验标定了布里渊频率对温度的敏感性。光纤通过一个电子管炉，在那里用一个校准的热电偶监测温度。加热炉温度从22°C单调升高到800°C。使用Neubreascopereg;数据采集系统（NBX7200型）测试光纤，沿长度测量了空间分布的布里渊增益谱。图2(a)中的五条曲线表示在五个温度下测得的单点布里渊增益谱[30]。每条曲线的峰值代表给定温度下相应的布里渊频率。然后使用洛伦兹曲线拟合算法确定布里渊频率，并根据温度绘制，如图2(b)所示。随着温度从室温升高到800℃，布里渊频率随着温度的降低而增加。使用带有测定系数的抛物线方程拟合布里渊频率和温度之间的关系（）等于1000。

图2 温度测量：(a)布里渊频移；(b)频率温度校准。

3实验程序

3.1测试设置

每个混凝土梁在图3所示的隔室防火装置中进行试验。该装置位于一个6 mtimes;6 m的排气罩下，由一个燃烧器机架、一个外壳和梁试样的水冷支架组成。机架支撑四个由金属板制成的独立天然气扩散燃烧器，每个燃烧器的尺寸为300 mmtimes;300 mmtimes;140 mm（长times;宽times;高）。两个中间燃烧器从底部通过燃烧器腔和一个20 mm厚的陶瓷纤维毯为气体分配提供燃料。使用燃气管道上的针阀手动调节燃烧器，以小于2.4%的扩展不确定度测量供应气体的能量含量[31]。一个

由钢方管、冷弯型钢C型槽和石膏板（内衬耐火纤维板）构成的外壳在燃烧器机架上方形成了耐火试验空间。外壳在底部打开，两个端面朝着横梁的纵向，形成图3所示的隔室火焰动力学。外壳产生的加热区域尺寸为380 mmtimes;400 mmtimes;1830 mm（高times;宽times;长），其中整个横梁被火焰吞没。

图3 防火测试设置

试验梁在两个支架上以0.5 m的净跨距进行简单支撑。由1-1/2“40号管（外径：48 mm）制成，依次为：由混凝土块支撑。横梁上唯一的机械负荷是自重。这个支撑管采用水冷，使出水温度不超过50℃。这限制了支架不希望发生的热致运动。

3.2 试样和仪器

测试了四根混凝土梁，分别为图4中的梁1、梁2、梁3和梁4。每根梁深152毫米，宽152毫米，长610毫米。使用了标称28天抗压强度为42MPa的正常重量混凝土（混凝土浇筑和养护详见第3.3节）。一根25.4 mm的螺纹钢筋直径大约位于每根梁的中心。梁的几何结构并不代表施工实践，而是提供简单的样品几何结构来测试光纤。每根测试梁都配有四个玻璃套KTYPE裸珠热电偶和一个分布式光纤传感器。如图4所示，四个热电偶（TC1、TC2、TC3和TC4）嵌入四分之一跨度和中跨度的梁内。TC1位于梁深的1/2处的四分之一跨度处，靠近钢筋；TC2、TC3和TC4分别位于梁深的1/4、1/2和3/4处的中跨处。在试验室内壁和整个试验装置上部署了额外的热电偶，以表征试验环境并监测安全相关温度。光纤（如图1所示）松散地穿过保护性聚合物护套（直径：1 mm），可以在护套内自由滑动。护套的导热系数为3.0 W/（m·k），比混凝土的导热系数略高，通常小于2.0 W/（m·k）[32]。护套与混凝土直接接触，将光纤与混凝土中的应变效应隔离开来。因此，分布式传感器只受到温度变化的影响。它按照图4所示的路径部署在混凝土中。大写字母A到G表示光纤上的关键位置。例如，A和G对应于光纤相对于混凝土的入口和出口点。用强力胶将光纤每150毫米牢固地固定在一根钓鱼线上，并将钓鱼线两端牢牢地固定在铸模壁上，以保证混凝土浇筑过程中光纤保持平直。

图4 试梁试样（单位：mm）

使用国家仪器数据采集系统（NI PXIE-1082）连续测量燃料供给系统和热电偶的数据。使用24位热电偶输入模块（NI PXIE-4353）记录热电偶数据。数据在90赫兹时取样，平均值和标准偏差记录在1赫兹的输出文件中。制造商规定的热电偶标准误差限值为2.2℃或0.75%（以较大值为准）。该误差代表热电偶本身的标准不确定度，不考虑可能的额外不确定度来源，例如使用期间的数据采集系统和校准漂移。Neubreascopereg;数据采集系统（型号：NBX7200）用于从分布式光纤获取布里渊增益谱传感器[31]。使用0.2ns的脉冲长度，可获得2cm的空间分辨率测量值，据报告，应变和温度测量的精度分别为15mu;ε和0.75°C，平均计数为214[33]。在本研究中，测量距离和空间分辨率分别设置为50 m和2 cm，这意味着在50 m光纤长度上，可以区分两个间隔不小于2 cm的点的布里渊频移。扫描频率从10.82千兆赫到11.50千兆赫，大致相当于20°C到800°C的目标温度范围[28]。采集时间变化从15秒到25秒，取决于扫描频率范围。

3.3 混凝土配合比设计与养护

分别使用640 kg/m3、800 kg/m3和400 kg/m3的III型波特兰水泥、密苏里河砂和小骨料（最大粒径5 mm）。质量含水率为0.45。为提高自密实混凝土的流动性，采用体积含水率为1%的聚羧酸系高效减水剂。初始坍落度测量值在280 mm和290 mm之间，确保无需振动，并且在铸造过程中不会干扰试样中的光纤。混凝土浇筑后，用抹子将梁抹平，并用湿麻布片和塑料板覆盖1天。然后，在试验前，对梁进行拆模和空气养护36天。前32天，梁在25plusmn;3°C的温度和40plusmn;4%的相对湿度下固化。在试验前的最后四天，梁暴露在温度和湿度分别为30plusmn;5°C和30plusmn;10%的不可控环境（运输和室内空间）中。横梁每三天称重一次。在图5中测量并绘制了随时间变化的质量损失。混凝土的导热系数和比热分别为1.8W/m·K和1.7kJ/kg·K。

图5 脱模后含水量随时间变化

3.4火灾试验协议

在燃烧器放热率（HRR）的控制下，四根混凝土梁在不断增大的强度下暴露在火中。图6显示了四个光束的测试协议。在每个目标水平上保持HRR不变。表1列出了四根梁的每个持续HRR值对应的持续时间。

表1 四根梁的每个持续HRR值对应的持续时间

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