結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)及其工程應(yīng)用.pdf

1、本文研究結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的新型光纖光柵傳感器、復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測試驗(yàn)以及大規(guī)模光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其在大型工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。主要研究內(nèi)容如下：
　　首先，針對土木工程結(jié)構(gòu)二維平面應(yīng)變監(jiān)測、大標(biāo)距應(yīng)變監(jiān)測、裂紋寬度監(jiān)測與位移監(jiān)測的實(shí)際需要，研制了光纖光柵應(yīng)變花式二維平面應(yīng)變傳感器、預(yù)張拉大標(biāo)距光纖光柵應(yīng)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(jié)構(gòu)平面應(yīng)變監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果表明：直角光纖光柵應(yīng)變花與三角型光纖光柵應(yīng)變花能夠準(zhǔn)

2、確測量測點(diǎn)處平面應(yīng)變狀態(tài)、確定主應(yīng)力大小和方向。研制開發(fā)的預(yù)張拉光纖光柵大標(biāo)距應(yīng)變傳感器監(jiān)測結(jié)果與應(yīng)變、溫度具有很好的線性關(guān)系，可以準(zhǔn)確測量梯度應(yīng)變場的大標(biāo)距平均應(yīng)變。研制開發(fā)的串聯(lián)微彈簧機(jī)敏傳感機(jī)構(gòu)的光纖光柵位移傳感器，通過增敏途徑，實(shí)現(xiàn)了0.01mm的位移分辨率，實(shí)現(xiàn)了位移與溫度的同時(shí)測量。結(jié)構(gòu)動位移監(jiān)測對比試驗(yàn)表明，光纖光柵位移傳感器能夠精確測量動位移反應(yīng)。
　　其次，設(shè)計(jì)、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(yīng)變、壓區(qū)混凝土應(yīng)變以及熱點(diǎn)部位的裂紋寬度擴(kuò)展全過程的光纖光柵監(jiān)測試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：光纖光柵傳感器可以準(zhǔn)確監(jiān)測混凝土受力筋的應(yīng)變發(fā)展變化；大標(biāo)距的光纖光柵傳感器可以對混凝土表面的應(yīng)變進(jìn)行有效監(jiān)測；在pushover試驗(yàn)過程中，光纖光柵應(yīng)變傳感器可以準(zhǔn)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(yīng)變的非線性發(fā)展規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服狀態(tài)的監(jiān)測。準(zhǔn)確地監(jiān)測了框架由彈性階段進(jìn)入屈服階段的全過程以及熱點(diǎn)局部裂紋寬度發(fā)展

4、過程。
　　第三，設(shè)計(jì)、制作和完成了導(dǎo)管架式海洋平臺結(jié)構(gòu)的大型管節(jié)點(diǎn)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測試驗(yàn)。通過T型管節(jié)點(diǎn)有限元數(shù)值模擬分析，揭示了T型管節(jié)點(diǎn)熱點(diǎn)復(fù)雜應(yīng)力分布狀況，提出了光纖光柵傳感器測點(diǎn)布設(shè)原則和方案，實(shí)現(xiàn)了T型管節(jié)點(diǎn)熱點(diǎn)平面應(yīng)變狀態(tài)及應(yīng)變梯度分布的光纖光柵監(jiān)測，提出了光纖光柵應(yīng)變峰值修正方法。研究結(jié)果表明：單根光纖光柵傳感器經(jīng)過應(yīng)變峰值修正，可以測量模型節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)變。靜載試驗(yàn)與冰荷載模擬動載試驗(yàn)結(jié)果表明：光纖光柵傳感器可以準(zhǔn)確

5、監(jiān)測節(jié)點(diǎn)模型支管軸力、熱點(diǎn)應(yīng)變與局部應(yīng)變時(shí)程等局部應(yīng)變響應(yīng)。
　　第四，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了海洋平臺結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件局部應(yīng)力的大規(guī)模光纖光柵網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并具體應(yīng)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(shè)、保護(hù)、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(jié)構(gòu)熱點(diǎn)應(yīng)力分析確定監(jiān)測測點(diǎn)的原則和方法，成功布設(shè)了259個(gè)光纖光柵應(yīng)變與溫度傳感器。結(jié)構(gòu)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(yùn)輸安裝一直到目前平臺運(yùn)營的各階段平臺局部測點(diǎn)應(yīng)力與環(huán)境溫度變化的寶貴歷史數(shù)據(jù)。前期局部應(yīng)力靜態(tài)結(jié)果分析與服役期間動、靜態(tài)分析表明：各局部測點(diǎn)在風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用以及船舶沖擊荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)未見異常。
　　第五，研究、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的大規(guī)模光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并具體應(yīng)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(luò)的測點(diǎn)布設(shè)和網(wǎng)