工程健康監(jiān)測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)測關(guān)系到工程質(zhì)量和運營安全，其經(jīng)濟、社會效益極為顯著。目前，大型土建工程的健康監(jiān)測已成為國內(nèi)外的發(fā)展趨勢。 近年來，我國鋼-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)，會嚴重影響工程質(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、隨機性，其有效監(jiān)測是國內(nèi)外尚未解決的難題。脫空傳統(tǒng)檢測有開孔法和超聲法。鉆孔損傷管

2、壁，超聲法須依賴經(jīng)驗綜合定性評判，而非定量；誤差多；屬點式檢測，檢測范圍小，現(xiàn)場工作量大，限用于施工期，不可長期使用。故迄今尚無監(jiān)測管內(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)測和智能材料-結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的前沿研究熱點，光纖傳感以其獨特的優(yōu)勢獲得了較多關(guān)注，國內(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)測應(yīng)變、溫度等，但尚無監(jiān)測鋼管混凝土界面損傷的分布式光纖傳感見諸報道。 本文研究結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的分布式光纖傳感監(jiān)測技術(shù)

3、，采用理論分析、數(shù)值模擬、模型與仿真試驗及工程應(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)測技術(shù)和系統(tǒng)，成功應(yīng)用于巫峽長江大橋工程。 (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，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，實現(xiàn)了力學(xué)量(脫空變形)對光學(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、大動態(tài)范圍的綜合優(yōu)勢。本系統(tǒng)可實現(xiàn)對脫空-裂縫的大范圍、連續(xù)、長期、定量化監(jiān)測，測定損傷部位、量值和發(fā)展過程。 (2)首次提出了光纖-混凝土復(fù)合體分析的細觀力學(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，通過試驗確定了接觸面非線性分析參數(shù)，并計入接觸面上的摩擦影響及剛性保護件對光纖周圍細觀力學(xué)場的

5、擾動。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現(xiàn)。完成了兩種光纖受拉、拉剪、光纖-保護件的拉剪等多種工況的計算。首次完成了光纖-混凝土復(fù)合體的細觀力學(xué)的非線性理論模擬，用數(shù)值試驗方法揭示出光纖及界面特有的細觀現(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大動態(tài)范圍，但會鈍化應(yīng)力應(yīng)變的傳遞；保護件距光纖過近會影響其傳感性。以極限拉應(yīng)變

6、為判據(jù)，計算Ⅰ、Ⅱ型光纖動態(tài)范圍與模型試驗結(jié)果總體上基本相符；初步驗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-光耦合試驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了光纖脫空傳感模型試驗的同步自動數(shù)據(jù)采集，解決了混凝土試件一旦脆性斷裂，大量力-光信號數(shù)據(jù)瞬間喪失的難題；進行了大比尺預(yù)應(yīng)變鋼管混凝土脫空模型試驗，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0.02mm)、動態(tài)范圍大(4.8mm)。據(jù)此給出了脫空值計算方法、研編了光纖監(jiān)測系統(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)鍵性難點之一。本文首次采用工程機械進行大規(guī)模仿真試驗，研制了光纖的安裝保護工藝和構(gòu)造，該工藝在工程應(yīng)用中得到檢驗，基本可行。經(jīng)過實際工程應(yīng)用，總結(jié)了進一步提高存活率的可行措施。 (5)將上述理論和實

8、驗研究成果應(yīng)用于鋼管混凝土拱橋——有“世界第一跨”之稱的巫峽長江大橋的健康監(jiān)測，完成4個主拱圈共12個關(guān)鍵監(jiān)測區(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。系統(tǒng)工作良好，監(jiān)測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，從而光纖檢測結(jié)果得到了可靠的證實。光纖監(jiān)測結(jié)果為該橋質(zhì)量評價、脫空事故處理提供了可信信息和決策依據(jù)，據(jù)此進行了修復(fù)，提高了大橋安全度，收到

9、實效。分布式光纖傳感成功應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測在國內(nèi)外均屬首次，同時也是分布式光纖首次應(yīng)用于土建工程的損傷監(jiān)測。 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，在三峽庫區(qū)重點工程中發(fā)揮了實際效益，完成一次“理論-實驗-工程實踐”的較完整的科研過程，