結構健康監(jiān)測的光纖光柵傳感網(wǎng)絡及其工程應用.pdf

1、本文研究結構健康監(jiān)測的新型光纖光柵傳感器、復雜應力狀態(tài)監(jiān)測試驗以及大規(guī)模光纖光柵傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)及其在大型工程結構中的應用。主要研究內(nèi)容如下：
　　首先，針對土木工程結構二維平面應變監(jiān)測、大標距應變監(jiān)測、裂紋寬度監(jiān)測與位移監(jiān)測的實際需要，研制了光纖光柵應變花式二維平面應變傳感器、預張拉大標距光纖光柵應變傳感器與光纖光柵位移傳感器等三種新型的封裝光纖光柵傳感器。結構平面應變監(jiān)測試驗結果表明：直角光纖光柵應變花與三角型光纖光柵應變花能夠準

2、確測量測點處平面應變狀態(tài)、確定主應力大小和方向。研制開發(fā)的預張拉光纖光柵大標距應變傳感器監(jiān)測結果與應變、溫度具有很好的線性關系，可以準確測量梯度應變場的大標距平均應變。研制開發(fā)的串聯(lián)微彈簧機敏傳感機構的光纖光柵位移傳感器，通過增敏途徑，實現(xiàn)了0.01mm的位移分辨率，實現(xiàn)了位移與溫度的同時測量。結構動位移監(jiān)測對比試驗表明，光纖光柵位移傳感器能夠精確測量動位移反應。
　　其次，設計、制作和完成了鋼筋混凝土二層框架模型靜力Pushov

3、er的受拉鋼筋應變、壓區(qū)混凝土應變以及熱點部位的裂紋寬度擴展全過程的光纖光柵監(jiān)測試驗。試驗結果表明：光纖光柵傳感器可以準確監(jiān)測混凝土受力筋的應變發(fā)展變化；大標距的光纖光柵傳感器可以對混凝土表面的應變進行有效監(jiān)測；在pushover試驗過程中，光纖光柵應變傳感器可以準確地監(jiān)測到拉區(qū)混凝土的非線性發(fā)展以及受拉鋼筋應變的非線性發(fā)展規(guī)律，從而實現(xiàn)對框架結構進入屈服狀態(tài)的監(jiān)測。準確地監(jiān)測了框架由彈性階段進入屈服階段的全過程以及熱點局部裂紋寬度發(fā)展

4、過程。
　　第三，設計、制作和完成了導管架式海洋平臺結構的大型管節(jié)點復雜應力狀態(tài)監(jiān)測試驗。通過T型管節(jié)點有限元數(shù)值模擬分析，揭示了T型管節(jié)點熱點復雜應力分布狀況，提出了光纖光柵傳感器測點布設原則和方案，實現(xiàn)了T型管節(jié)點熱點平面應變狀態(tài)及應變梯度分布的光纖光柵監(jiān)測，提出了光纖光柵應變峰值修正方法。研究結果表明：單根光纖光柵傳感器經(jīng)過應變峰值修正，可以測量模型節(jié)點的熱點應變。靜載試驗與冰荷載模擬動載試驗結果表明：光纖光柵傳感器可以準確

5、監(jiān)測節(jié)點模型支管軸力、熱點應變與局部應變時程等局部應變響應。
　　第四，設計并實現(xiàn)了海洋平臺結構關鍵構件局部應力的大規(guī)模光纖光柵網(wǎng)絡系統(tǒng)，并具體應用到了渤海CB32A海洋平臺的健康監(jiān)測系統(tǒng)中。提出了適用于海洋平臺惡劣服役環(huán)境的光纖光柵傳感器布設、保護、集成與防腐工藝；在渤海CB32A海洋平臺施工制造階段，提出了根據(jù)平臺結構熱點應力分析確定監(jiān)測測點的原則和方法，成功布設了259個光纖光柵應變與溫度傳感器。結構健康監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)采集獲得

6、了渤海CB32A平臺自2003年7月施工完畢、經(jīng)歷平臺運輸安裝一直到目前平臺運營的各階段平臺局部測點應力與環(huán)境溫度變化的寶貴歷史數(shù)據(jù)。前期局部應力靜態(tài)結果分析與服役期間動、靜態(tài)分析表明：各局部測點在風、浪、流聯(lián)合作用以及船舶沖擊荷載作用下的應力狀態(tài)未見異常。
　　第五，研究、設計和實現(xiàn)了大型橋梁結構健康監(jiān)測的大規(guī)模光纖光柵傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)，并具體應用到了哈爾濱四方臺大橋和山東濱州黃河公路大橋。提出了大規(guī)模光纖光柵傳感網(wǎng)絡的測點布設和網(wǎng)