光纖Bragg光柵傳感技術用于工程結構安全監(jiān)測的研究.pdf

1、大型結構的安全監(jiān)測，能夠及時了解結構性狀，防患未然，獲得巨大的社會和經(jīng)濟效益。工程結構安全監(jiān)測的高新技術中，光纖傳感具有獨特的優(yōu)勢。其中光纖Bragg光柵傳感技術靈敏度高，抗干擾能力強，測量穩(wěn)定可靠，代表著新一代光傳感器的發(fā)展方向。 本文運用光纖Bragg光柵傳感技術的特點和優(yōu)點，解決高土石壩工程集中滲流監(jiān)測和組合結構損傷檢測兩項難題，為發(fā)展該兩領域內光纖光柵監(jiān)測技術的傳感系統(tǒng)和分析方法提供了理論基礎和關鍵技術。本文主要工作和成

2、果如下： (1)首次提出高土石壩集中滲流大范圍、定量化監(jiān)測的光纖Bragg光柵傳感技術的科學理念、理論方法和分析手段。首次采用光纖Bragg光柵傳感系統(tǒng)，突破了國內外近年來采用DTS分布式光纖測溫的局限，實現(xiàn)了光纖傳感的選型優(yōu)化，成為實現(xiàn)高土石壩心墻集中滲流的定位、定滲流量監(jiān)測的可行途徑和新理念。 發(fā)展了滲流-溫度耦合場的有限元分析方法，完成了高土石壩心墻集中滲流的模擬仿真，獲得溫度分布與滲流通道幾何位置和滲流速度及滲流

3、量的關系，用數(shù)值手段論證了這一高端技術的可行性。首次為大范圍、定量化監(jiān)測土石壩心墻隨機出現(xiàn)的滲流通道位置和滲流量提供了技術途徑。(2)提出了地基集中滲漏的光纖Bragg光柵檢測方法，發(fā)展了流場-溫度耦合場的有限元分析方法，得出地基監(jiān)測孔內流體、溫度多場分布，從而確定地基中集中滲流通道位置和滲流量。據(jù)此論證了應用該技術監(jiān)測地基集中滲流的可行性。 (3)提出了基于光纖Bragg光柵傳感的光電多功能測滲系統(tǒng)，并研制出相應的電測子系統(tǒng)和

4、供熱子系統(tǒng)。為高土石壩、地基滲漏監(jiān)測提供了技術手段。鑒于大型工程結構具有使用期限長的特點，其供熱子系統(tǒng)采用PTC熱敏電阻元件制成，具有恒溫、安全、壽命長等特點。其電測子系統(tǒng)采用單線數(shù)字化智能集成溫度傳感器及高檔單片機構成，研制了樣機，經(jīng)測試性能優(yōu)良。該系統(tǒng)作為光纖主系統(tǒng)的參照，提供了必要的冗余度并提高了全系統(tǒng)的可靠性。 (4)首次提出鋼-砼組合結構界面損傷(滑移、掀起)檢測的光纖Bragg光柵傳感檢測方法，并提出和設計了適于測量

5、組合結構界面滑移和掀起的FBG傳感器型式，完成了組合橋面板結構足尺實驗的全過程檢測。測量出組合結構界面滑移、掀起損傷出現(xiàn)的臨界應變值及其發(fā)生發(fā)展過程，以及混凝土板頂面縱向承載裂縫損傷出現(xiàn)的臨界應變值及發(fā)生發(fā)展過程，揭示出損傷發(fā)生的機理。為組合結構界面損傷檢測提供了一種可靠、有效的方法(此前無法測量)，同時也為橋面板組合結構的進一步優(yōu)化提供了可靠的信息依據(jù)和科學基礎。在組合結構實驗中，光纖Bragg光柵傳感系統(tǒng)經(jīng)歷從靜載到疲勞再到破壞三個

6、加載階段，而保持全程正常工作，特別是經(jīng)受了300萬次循環(huán)疲勞荷載等極限狀態(tài)的考驗，獲取了大量的實驗數(shù)據(jù)，揭示了損傷發(fā)展規(guī)律，為發(fā)展組合結構損傷的光纖傳感檢測技術奠定了科學基礎。將光纖檢測結果與應變片等常規(guī)檢測手段獲得的數(shù)據(jù)進行了全過程對比，進一步論證了前者的可靠性。 (5)研發(fā)了光纖傳感系統(tǒng)管理軟件，可以實現(xiàn)光纖傳感測試數(shù)據(jù)的存儲、調用、打印，數(shù)據(jù)處理，分時顯示、按位置顯示、圖片顯示，裂縫寬度計算、預警等多項功能。為以后實現(xiàn)光纖