基于分布式應(yīng)變傳感的沖刷監(jiān)測研究.pdf

1、在水利、給排水、海河岸堤壩防護(hù)、橋梁、海洋平臺等工程中，水流的沖刷對結(jié)構(gòu)造成破壞的現(xiàn)象相當(dāng)普遍。結(jié)構(gòu)的地基往往由于水流的沖蝕而使得其強(qiáng)度降低，給結(jié)構(gòu)的安全帶來隱患。沖刷是導(dǎo)致橋梁水毀的一個主要原因，世界各國每年都有許多橋梁因洪水的沖刷而毀壞，而且因?yàn)樗鞯臎_刷都發(fā)生在水下，一般很難及時發(fā)現(xiàn)。沖刷深度的監(jiān)測對于水下結(jié)構(gòu)的安全非常重要，因此，最近幾年，學(xué)者們積極致力于開發(fā)各種傳感器來監(jiān)測沖刷深度。在前人的研究基礎(chǔ)上，本文基于分布式長標(biāo)距光纖

2、光柵(FBG)傳感技術(shù)，開發(fā)了一種新型簡單的沖刷傳感器，并從應(yīng)變變化和頻率變化兩個方面驗(yàn)證沖刷傳感器監(jiān)測河床沖刷深度的性能。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)簡單介紹了光纖光柵傳感技術(shù)的傳感原理、長標(biāo)距FBG傳感器的制作工藝和封裝方法，并對封裝后的長標(biāo)距FBG傳感器進(jìn)行了基本性能的測試。封裝后的長標(biāo)距FBG傳感器能夠適用于惡劣的工作環(huán)境且具有良好的動靜態(tài)測試性能。
　　(2)利用長標(biāo)距FBG的傳感原理，開發(fā)了一種新型簡單的沖刷傳

3、感器。當(dāng)沖刷深度監(jiān)測的概念是基于量測埋入河床中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)直桿的應(yīng)變變化時，F(xiàn)RP直桿上須粘貼一個長標(biāo)距FBG傳感探頭陣列。水流使得彈性FRP直桿在河床與水的交界處應(yīng)變變化區(qū)別較大，通過河床上方和下方傳感器中FBG的波長特征可以判斷河床與水的交界面的高度，從而得出沖刷的深度。當(dāng)沖刷深度監(jiān)測的概念是基于量測埋入河床中FRP直桿的頻率變化時，F(xiàn)RP直桿上只須粘貼一個長標(biāo)距FBG。河床經(jīng)過沖刷后，彈性FRP直桿露出河床部分將增大

4、，進(jìn)而導(dǎo)致直桿振動特性如自振頻率隨之改變。通過測試傳感器的時程信號計(jì)算其固有振動頻率，不僅可以判斷有無沖刷，還能確定沖刷深度。
　　(3)通過演繹推導(dǎo)，以附加質(zhì)量法為基礎(chǔ)，得出了水下結(jié)構(gòu)與水耦合振動自振頻率的求解公式。利用有限元軟件ANSYS對水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得出水下結(jié)構(gòu)自振頻率比無水時要小，水對其影響不可忽略。但是水下直桿的自振頻率與懸臂長度的關(guān)系變化趨勢和無水時是一致的。
　　(4)通過水槽試驗(yàn)，對新開發(fā)的沖刷傳感