基于分布式光纖傳感及自傳感FRP的結(jié)構(gòu)智能化研究.pdf

1、近二十年，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，各類新型結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，同時(shí)其安全性能和防災(zāi)減災(zāi)能力也越來越受到重視。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(SHM，StructuralHealthMonitoring)技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用，大幅提高了結(jié)構(gòu)的安全性能和防災(zāi)減災(zāi)能力。但是現(xiàn)有SHM存在一些挑戰(zhàn)問題，如以加速度測(cè)量為代表提取的指標(biāo)與結(jié)構(gòu)性能變化的相關(guān)性弱，傳感元件耐久性不足等。以分布式光纖傳感為代表的新型傳感技術(shù)具有優(yōu)良的傳感性能，能夠?qū)⒕植亢秃暧^的信息

2、有效融合，在SHM領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。
　　在全面調(diào)查和研究了分布式光纖傳感(即BOTDA:BrillouinOpticalTimeDomainAnalysis和FBG:FiberBraggGrating)性能的基礎(chǔ)上，本文將光纖傳感和纖維復(fù)合材料(FRP，F(xiàn)iberReinforcedPolymer)巧妙地結(jié)合研發(fā)系列新型光纖傳感器和自傳感FRP，提升了光纖傳感的傳感性能、耐久性能和施工性。尤其是自傳感FRP，一方面光纖傳感使

3、FRP具有自傳感功能，提高其安全性能;另一方面，F(xiàn)RP可對(duì)脆弱的光纖進(jìn)行有效保護(hù)，提高其在土木工程等粗放環(huán)境下的適用性。在此基礎(chǔ)上，利用分布式應(yīng)變傳感開發(fā)了系列結(jié)構(gòu)關(guān)鍵評(píng)估理論和方法?；诜植际焦饫w傳感和自傳感FRP，還提出了智能鋼筋混凝土(PC，ReinforcedConcrete)梁和智能RC柱的智能結(jié)構(gòu)體系，并對(duì)其自傳感功能和力學(xué)性能進(jìn)行研究。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)提出了基于高精度分布式光纖

4、傳感的系列光纖傳感器和自傳感FRP筋，并開發(fā)了制備工藝。根據(jù)光纖的復(fù)合形態(tài)，可分為全分布型和長(zhǎng)標(biāo)距型系列制品。優(yōu)化了關(guān)鍵工藝參數(shù)，特別是光纖的長(zhǎng)標(biāo)距化封裝，大幅提升了傳感性能。其中，傳感芯是制備自傳感FRP筋的關(guān)鍵，通過在光纖外圍編織纖維、包覆隔膠管以及預(yù)張拉控制等一次封裝工藝而制成。
　　(2)研究了光纖傳感器和自傳感FRP筋的傳感特性以及自傳感FRP筋的力學(xué)性能。評(píng)估了尺寸和纖維含量對(duì)自傳感FRP筋性能的影響，并提出了溫度補(bǔ)償

5、方法。通過工藝優(yōu)化，自傳感BFRP筋的抗拉強(qiáng)度可達(dá)1000MPa以上，極限變形達(dá)到2.5％;其自傳感性能穩(wěn)定，具有良好的線性度，正常使用范圍內(nèi)基于BOTDA的應(yīng)變監(jiān)測(cè)精度為±15με，基于FBG的應(yīng)變監(jiān)測(cè)精度可達(dá)±2～3με。
　　(3)基于分布式應(yīng)變傳感，創(chuàng)新性地提出了一系列結(jié)構(gòu)自監(jiān)測(cè)、自診斷方法和理論，并進(jìn)行了有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。在應(yīng)變模態(tài)理論的基礎(chǔ)上，發(fā)展并建立了中和軸識(shí)別方法及損傷識(shí)別指標(biāo)體系，解決了傳統(tǒng)時(shí)域方法離散性大

6、的問題，所提出的“中和軸系數(shù)”指標(biāo)對(duì)損傷敏感，僅次于應(yīng)變模態(tài);建立了基于應(yīng)變模態(tài)的單元相對(duì)抗彎剛度評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)了損傷的量化;同時(shí)，建立了基于分布式動(dòng)應(yīng)變的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)理論及裂縫寬度評(píng)估方法。
　　(4)提出了基于分布式光纖傳感和自傳感FRP的智能RC梁和智能RC柱的智能結(jié)構(gòu)體系。利用數(shù)值模擬和試驗(yàn)室模型，驗(yàn)證了智能結(jié)構(gòu)體系的自監(jiān)測(cè)、自診斷的智能性能。研究表明，基于傳感器和自傳感FRP筋監(jiān)測(cè)的分布式動(dòng)、靜態(tài)應(yīng)變，可以準(zhǔn)確提取結(jié)