工程健康監(jiān)測(cè)的分布式光纖傳感技術(shù)及應(yīng)用研究.pdf

1、工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)關(guān)系到工程質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)安全，其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益極為顯著。目前，大型土建工程的健康監(jiān)測(cè)已成為國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)。 近年來(lái)，我國(guó)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)特別是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑、地下工程等。但鋼-混凝土的界面損傷(脫空)，會(huì)嚴(yán)重影響工程質(zhì)量和安全，受到工程界普遍關(guān)注。然而，鋼管混凝土的脫空-裂縫損傷的發(fā)生發(fā)展具有隱蔽性、隨機(jī)性，其有效監(jiān)測(cè)是國(guó)內(nèi)外尚未解決的難題。脫空傳統(tǒng)檢測(cè)有開孔法和超聲法。鉆孔損傷管

2、壁，超聲法須依賴經(jīng)驗(yàn)綜合定性評(píng)判，而非定量；誤差多；屬點(diǎn)式檢測(cè)，檢測(cè)范圍小，現(xiàn)場(chǎng)工作量大，限用于施工期，不可長(zhǎng)期使用。故迄今尚無(wú)監(jiān)測(cè)管內(nèi)混凝土損傷狀態(tài)的有效方法。 作為工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和智能材料-結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的前沿研究熱點(diǎn)，光纖傳感以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)獲得了較多關(guān)注，國(guó)內(nèi)外已開始應(yīng)用于土建工程，特別是橋梁，主要應(yīng)用監(jiān)測(cè)應(yīng)變、溫度等，但尚無(wú)監(jiān)測(cè)鋼管混凝土界面損傷的分布式光纖傳感見諸報(bào)道。 本文研究結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)

3、，采用理論分析、數(shù)值模擬、模型與仿真試驗(yàn)及工程應(yīng)用相結(jié)合的研究路線，研制出分布式光纖脫空-裂縫傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)和系統(tǒng)，成功應(yīng)用于巫峽長(zhǎng)江大橋工程。 (1)首次提出非正交構(gòu)型的力-光直接轉(zhuǎn)換機(jī)制的傳感型式和光纖優(yōu)化組合的核心技術(shù)，構(gòu)建了檢測(cè)界面損傷的分布式光纖傳感技術(shù)和系統(tǒng)。光纖布設(shè)成與斷裂面非正交的折線狀構(gòu)型，脫空(或裂縫)出現(xiàn)時(shí)，光纖受拉-剪復(fù)合力而直接生成微彎和光波導(dǎo)局部高損耗，實(shí)現(xiàn)了力學(xué)量(脫空變形)對(duì)光學(xué)量(光損耗)的直接調(diào)

4、制，而勿需變形器。傳感光纖經(jīng)優(yōu)化組合得以具有靈敏、可靠、大動(dòng)態(tài)范圍的綜合優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)脫空-裂縫的大范圍、連續(xù)、長(zhǎng)期、定量化監(jiān)測(cè)，測(cè)定損傷部位、量值和發(fā)展過(guò)程。 (2)首次提出了光纖-混凝土復(fù)合體分析的細(xì)觀力學(xué)雙界面理論模型及其非線性數(shù)值模擬方法。 建立了考慮雙接觸面的復(fù)合體力學(xué)模型，給出了該力學(xué)模型的基本方程和定解條件，通過(guò)試驗(yàn)確定了接觸面非線性分析參數(shù)，并計(jì)入接觸面上的摩擦影響及剛性保護(hù)件對(duì)光纖周圍細(xì)觀力學(xué)場(chǎng)的

5、擾動(dòng)。給出了力學(xué)模型的非線性有限元算法，由增廣拉格朗日方法加以實(shí)現(xiàn)。完成了兩種光纖受拉、拉剪、光纖-保護(hù)件的拉剪等多種工況的計(jì)算。首次完成了光纖-混凝土復(fù)合體的細(xì)觀力學(xué)的非線性理論模擬，用數(shù)值試驗(yàn)方法揭示出光纖及界面特有的細(xì)觀現(xiàn)象及規(guī)律，在微彎區(qū)域出現(xiàn)了雙界面脫離、界面滑移(涂覆-混凝土界面為主)、涂覆擠壓變形、纖芯應(yīng)力集中及斷裂。數(shù)值分析表明涂覆層有利于擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，但會(huì)鈍化應(yīng)力應(yīng)變的傳遞；保護(hù)件距光纖過(guò)近會(huì)影響其傳感性。以極限拉應(yīng)變

6、為判據(jù)，計(jì)算Ⅰ、Ⅱ型光纖動(dòng)態(tài)范圍與模型試驗(yàn)結(jié)果總體上基本相符；初步驗(yàn)證了理論方法的正確性，為光纖埋入混凝土后的力學(xué)分析提供了理論手段。 (3)提出了傳感光纖的力-光本構(gòu)關(guān)系的新概念，構(gòu)建了高精度數(shù)字化力-光耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了光纖脫空傳感模型試驗(yàn)的同步自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，解決了混凝土試件一旦脆性斷裂，大量力-光信號(hào)數(shù)據(jù)瞬間喪失的難題；進(jìn)行了大比尺預(yù)應(yīng)變鋼管混凝土脫空模型試驗(yàn)，獲得光纖傳感的力-光本構(gòu)關(guān)系方程(式4.5)和光纖傳感的主要

7、技術(shù)性能，靈敏度高(脫空分辨率達(dá)0.02mm)、動(dòng)態(tài)范圍大(4.8mm)。據(jù)此給出了脫空值計(jì)算方法、研編了光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)專用軟件，構(gòu)成軟硬件集成系統(tǒng)。 (4)光纖的精巧與土建施工狀況間的反差很大，光纖安裝埋設(shè)工藝是其工程應(yīng)用的關(guān)鍵性難點(diǎn)之一。本文首次采用工程機(jī)械進(jìn)行大規(guī)模仿真試驗(yàn)，研制了光纖的安裝保護(hù)工藝和構(gòu)造，該工藝在工程應(yīng)用中得到檢驗(yàn)，基本可行。經(jīng)過(guò)實(shí)際工程應(yīng)用，總結(jié)了進(jìn)一步提高存活率的可行措施。 (5)將上述理論和實(shí)

8、驗(yàn)研究成果應(yīng)用于鋼管混凝土拱橋——有“世界第一跨”之稱的巫峽長(zhǎng)江大橋的健康監(jiān)測(cè)，完成4個(gè)主拱圈共12個(gè)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)區(qū)的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)分段連續(xù)布置安裝、系統(tǒng)鏈接、調(diào)試和監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)工作良好，監(jiān)測(cè)到混凝土大范圍脫空的量值、位置、范圍、定量分布及發(fā)展規(guī)律。結(jié)果與超聲法評(píng)判定性符合，特別是與開孔直接檢查結(jié)果基本吻合，從而光纖檢測(cè)結(jié)果得到了可靠的證實(shí)。光纖監(jiān)測(cè)結(jié)果為該橋質(zhì)量評(píng)價(jià)、脫空事故處理提供了可信信息和決策依據(jù)，據(jù)此進(jìn)行了修復(fù)，提高了大橋安全度，收到

9、實(shí)效。分布式光纖傳感成功應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測(cè)在國(guó)內(nèi)外均屬首次，同時(shí)也是分布式光纖首次應(yīng)用于土建工程的損傷監(jiān)測(cè)。 綜上，本工作遵循多學(xué)科綜合和光纖傳感高科技與土建傳統(tǒng)領(lǐng)域大跨度交叉的技術(shù)發(fā)展路線，在光纖非正交構(gòu)型與優(yōu)化組合的分布式傳感型式、埋入集材的光纖細(xì)觀力學(xué)模型與雙界面非線性分析理論、力-光本構(gòu)關(guān)系、安裝埋設(shè)工藝及工程應(yīng)用方面，取得創(chuàng)新成果，在三峽庫(kù)區(qū)重點(diǎn)工程中發(fā)揮了實(shí)際效益，完成一次“理論-實(shí)驗(yàn)-工程實(shí)踐”的較完整的科研過(guò)程，