光纖光柵智能材料與橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)研究.pdf

1、在科學技術和經(jīng)濟快速發(fā)展的推動下，我國城市及公路交通建設得到了飛速發(fā)展，在沿江沿海、西部山區(qū)及各大城市修建了大量的特大型橋梁。這些橋梁溝通南北、連結東西，成為我國眾多城市及公路交通的樞紐和標志性建筑。隨著這些橋梁使用時間的推移和超限運輸?shù)脑黾?，特大橋梁事故的潛在危險和幾率隨之上升，并不時出現(xiàn)影響國計民生的嚴重橋梁事故。由此，橋梁管理部門和工程界提出了對特大橋進行健康監(jiān)測和安全管理養(yǎng)護的課題，希望通過科技手段監(jiān)測橋梁結構的關鍵參數(shù)，為橋梁

2、的安全性判斷提供依據(jù)，保障橋梁結構在安全運營的前提下延長其使用壽命，確保其社會經(jīng)濟效益的發(fā)揮。由于橋梁安全運營對社會及經(jīng)濟發(fā)展的作用至關重要，世界各發(fā)達國家紛紛采用高新技術解決橋梁安全運營保障的技術難題，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究和開發(fā)應用成為了當前世界范圍的研究熱點，最近幾年在很多國家得到了快速的發(fā)展。智能材料與結構系統(tǒng)的研究作為21世紀最具挑戰(zhàn)性的課題之一，在軍事和民用方面都具有重大的應用前景，利用智能材料與結構技術解決重大土木結構生命

3、周期健康安全監(jiān)測和狀況評估問題，因其重大的社會意義和經(jīng)濟價值也成為了世界性的研究熱點。目前，世界發(fā)達國家將基于電磁類的智能材料應用大型橋梁結構的減振抗震控制取得了大量成果，將光纖光柵智能材料應用于橋梁結構健康監(jiān)測的研究也進行了一些嘗試，主要成果集中為單項傳感器的實驗室研究試驗。 當前，橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)研究的關鍵和核心問題是橋梁關鍵信息的長期可靠采集?；诠饫w光柵智能材料的監(jiān)測系統(tǒng)由于本身具有長期可靠性的優(yōu)點，逐漸成為構建橋梁

4、長期健康監(jiān)測系統(tǒng)的首選技術。由于特大型橋梁結構的空間分布廣，需要測試的參數(shù)類型多，如何利用光纖光柵智能材料與結構技術實現(xiàn)大型橋梁結構健康監(jiān)測所需各種類型參數(shù)的長期可靠采集，成為急需解決的關鍵技術難題。 本論文的研究立足于采用先進光纖光柵傳感測試技術，根據(jù)智能材料與結構系統(tǒng)的理論和思想，構建長期可靠的特大型斜拉橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，通過長期結構信息的采集和連續(xù)測試以評估特大型橋梁的安全健康狀況。在國家自然科學基金重點、國家863計劃

5、和湖北省重點攻關項目的支持下，以武漢長江二橋、武漢陽邏長江公路大橋和天興洲公鐵兩用長江大橋的長期健康監(jiān)測系統(tǒng)實施為工程背景，圍繞智能材料與結構系統(tǒng)在橋梁健康監(jiān)測中應用的基礎理論、基本實驗和工程實際開發(fā)，研究了光纖光柵智能材料應用于橋梁領域的相關技術，從橋梁結構受力和交通荷載監(jiān)測等方面探討了專用光纖光柵傳感器測試系統(tǒng)的制備和傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)集成技術。研究工作歷時三年，多項研究成果通過湖北省科技廳的科技成果鑒定，填補了國內(nèi)空白，達到國際先進水平

6、。 (1)對大型橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)及其相關技術的發(fā)展進行回顧和總結，分析可資借鑒的經(jīng)驗教訓，明確大型橋梁長期健康監(jiān)測系統(tǒng)的基本構成和原理，以及存在的問題和亟待解決的關鍵技術； (2)就智能材料與結構系統(tǒng)及相關的傳感測試技術，特別是光纖光柵傳感測試技術在智能材料與結構中的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行概括和總結，探討光纖光柵智能材料與結構的基本概念、構成方式，及其在橋梁健康監(jiān)測中的應用原理，進而提出本課題的研究目標和任務；

7、 (3)根據(jù)大型斜拉橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的特點，利用光纖光柵傳感測試技術及智能材料與結構的思想，解決斜拉索索力、關鍵結構部位應變、溫度和重載車荷載實時監(jiān)測難題，研究、設計并開發(fā)了相應測試系統(tǒng)； (4)根據(jù)大型斜拉橋長期健康監(jiān)測系統(tǒng)所采集的結構受力、環(huán)境及交通荷載的實時信息，提出針對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和結構計算仿真的健康狀況評估系統(tǒng)，并設計了相應的評估指標體系： (5)將研究成果在國內(nèi)率先應用于實際的大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，武漢長江二