光纖Bragg光柵傳感技術(shù)用于工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的研究.pdf

1、大型結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)了解結(jié)構(gòu)性狀，防患未然，獲得巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的高新技術(shù)中，光纖傳感具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其中光纖Bragg光柵傳感技術(shù)靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量穩(wěn)定可靠，代表著新一代光傳感器的發(fā)展方向。 本文運(yùn)用光纖Bragg光柵傳感技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，解決高土石壩工程集中滲流監(jiān)測(cè)和組合結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)兩項(xiàng)難題，為發(fā)展該兩領(lǐng)域內(nèi)光纖光柵監(jiān)測(cè)技術(shù)的傳感系統(tǒng)和分析方法提供了理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)。本文主要工作和成

2、果如下： (1)首次提出高土石壩集中滲流大范圍、定量化監(jiān)測(cè)的光纖Bragg光柵傳感技術(shù)的科學(xué)理念、理論方法和分析手段。首次采用光纖Bragg光柵傳感系統(tǒng)，突破了國(guó)內(nèi)外近年來(lái)采用DTS分布式光纖測(cè)溫的局限，實(shí)現(xiàn)了光纖傳感的選型優(yōu)化，成為實(shí)現(xiàn)高土石壩心墻集中滲流的定位、定滲流量監(jiān)測(cè)的可行途徑和新理念。 發(fā)展了滲流-溫度耦合場(chǎng)的有限元分析方法，完成了高土石壩心墻集中滲流的模擬仿真，獲得溫度分布與滲流通道幾何位置和滲流速度及滲流

3、量的關(guān)系，用數(shù)值手段論證了這一高端技術(shù)的可行性。首次為大范圍、定量化監(jiān)測(cè)土石壩心墻隨機(jī)出現(xiàn)的滲流通道位置和滲流量提供了技術(shù)途徑。(2)提出了地基集中滲漏的光纖Bragg光柵檢測(cè)方法，發(fā)展了流場(chǎng)-溫度耦合場(chǎng)的有限元分析方法，得出地基監(jiān)測(cè)孔內(nèi)流體、溫度多場(chǎng)分布，從而確定地基中集中滲流通道位置和滲流量。據(jù)此論證了應(yīng)用該技術(shù)監(jiān)測(cè)地基集中滲流的可行性。 (3)提出了基于光纖Bragg光柵傳感的光電多功能測(cè)滲系統(tǒng)，并研制出相應(yīng)的電測(cè)子系統(tǒng)和

4、供熱子系統(tǒng)。為高土石壩、地基滲漏監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)手段。鑒于大型工程結(jié)構(gòu)具有使用期限長(zhǎng)的特點(diǎn)，其供熱子系統(tǒng)采用PTC熱敏電阻元件制成，具有恒溫、安全、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。其電測(cè)子系統(tǒng)采用單線數(shù)字化智能集成溫度傳感器及高檔單片機(jī)構(gòu)成，研制了樣機(jī)，經(jīng)測(cè)試性能優(yōu)良。該系統(tǒng)作為光纖主系統(tǒng)的參照，提供了必要的冗余度并提高了全系統(tǒng)的可靠性。 (4)首次提出鋼-砼組合結(jié)構(gòu)界面損傷(滑移、掀起)檢測(cè)的光纖Bragg光柵傳感檢測(cè)方法，并提出和設(shè)計(jì)了適于測(cè)量

5、組合結(jié)構(gòu)界面滑移和掀起的FBG傳感器型式，完成了組合橋面板結(jié)構(gòu)足尺實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程檢測(cè)。測(cè)量出組合結(jié)構(gòu)界面滑移、掀起損傷出現(xiàn)的臨界應(yīng)變值及其發(fā)生發(fā)展過(guò)程，以及混凝土板頂面縱向承載裂縫損傷出現(xiàn)的臨界應(yīng)變值及發(fā)生發(fā)展過(guò)程，揭示出損傷發(fā)生的機(jī)理。為組合結(jié)構(gòu)界面損傷檢測(cè)提供了一種可靠、有效的方法(此前無(wú)法測(cè)量)，同時(shí)也為橋面板組合結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了可靠的信息依據(jù)和科學(xué)基礎(chǔ)。在組合結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中，光纖Bragg光柵傳感系統(tǒng)經(jīng)歷從靜載到疲勞再到破壞三個(gè)

6、加載階段，而保持全程正常工作，特別是經(jīng)受了300萬(wàn)次循環(huán)疲勞荷載等極限狀態(tài)的考驗(yàn)，獲取了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，揭示了損傷發(fā)展規(guī)律，為發(fā)展組合結(jié)構(gòu)損傷的光纖傳感檢測(cè)技術(shù)奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。將光纖檢測(cè)結(jié)果與應(yīng)變片等常規(guī)檢測(cè)手段獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了全過(guò)程對(duì)比，進(jìn)一步論證了前者的可靠性。 (5)研發(fā)了光纖傳感系統(tǒng)管理軟件，可以實(shí)現(xiàn)光纖傳感測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、調(diào)用、打印，數(shù)據(jù)處理，分時(shí)顯示、按位置顯示、圖片顯示，裂縫寬度計(jì)算、預(yù)警等多項(xiàng)功能。為以后實(shí)現(xiàn)光纖