基于光纖光柵傳感原理的橋梁索力測試方法研究與應(yīng)用.pdf

1、近些年來，由光纖光柵構(gòu)成的傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)應(yīng)用于許多大型結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測。大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是應(yīng)用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)最活躍的領(lǐng)域。光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)埋入結(jié)構(gòu)中可形成智能結(jié)構(gòu)。光纖光柵傳感器的精度非常高，具有很好的動態(tài)響應(yīng)特性，可用于應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、振動等多種參數(shù)的測量，是智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)中最具應(yīng)用前景的光纖傳感器之一。大跨橋梁結(jié)構(gòu)中，斜拉索的索力監(jiān)測一直是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分；而廣泛采用的預(yù)應(yīng)力混凝土類橋梁結(jié)構(gòu)中，目前還無

2、法實現(xiàn)對預(yù)應(yīng)力索受力的直接監(jiān)測。了解結(jié)構(gòu)施工、營運過程中纜索內(nèi)部鋼絲受力狀況及預(yù)應(yīng)力體系是否安全，可靠一直是設(shè)計、施工和科研部門所關(guān)注的課題。 光纖Bragg光柵（FBG）傳感器除具有普通光纖傳感器重量輕，耐腐蝕，抗電磁干擾，使用安全可靠等優(yōu)點外，還具有探頭尺寸小，波長調(diào)制，抗干擾能力強，集傳感與傳輸于一體，具有較強的復(fù)用能力，易于構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)，測量對象廣泛，易于實現(xiàn)多參數(shù)同步傳感測量等獨特優(yōu)點。對于索力實時監(jiān)測國內(nèi)外雖然有諸多

3、研究，但總的來說還沒有解決其根本技術(shù)難點，少有實用報道，尤其對處于高應(yīng)力工作狀態(tài)下的橋梁預(yù)應(yīng)力鋼束，體外索及纜索鋼絲應(yīng)變均還無法開展直接監(jiān)測。為進一步發(fā)揮FBG傳感技術(shù)的優(yōu)勢特點，研究基于FBG傳感原理（以下均將“基于FBG傳感原理”簡稱為“基于FBG”）的纜索監(jiān)測新技術(shù)，完成基于FBG的預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測，實現(xiàn)基于FBG的索內(nèi)鋼絲應(yīng)力值及分布狀態(tài)監(jiān)測，尋找從連續(xù)采集的索力數(shù)據(jù)中有效分析提取有意義監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)處理方法，本文進行了如下幾個方

4、面的研究工作： （一）既有基于FBG的橋梁索力測試方法比較研究 1．指出了以纖維增強材料為封裝體的智能筋目前還缺乏工程實例支撐的應(yīng)用現(xiàn)狀。介紹了更為成熟的基于頻率法，壓力傳感原理，差動傳感原理的光纖光柵索力傳感監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)特點，測試原理及在代表性工程實例中的應(yīng)用情況。 2．從工程應(yīng)用的角度，就適用橋型、單點費用、測量方式、溫度補償、更換操作及測試信號幾個指標(biāo)對既有基于FBG傳感原理的索力監(jiān)測方法進行了歸納對比。

5、基于提出的各類光纖光柵索力傳感器比較指標(biāo)，使用模糊一致矩陣，結(jié)合具體工程，提出了一種更為客觀的傳感器選型方法。 （二）基于FBG的預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測研究 1．分析了基于FBG的預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測技術(shù)難點，提出了高應(yīng)力工作狀態(tài)的監(jiān)測策略，及適用于新建橋梁及既有舊橋加固時對于預(yù)應(yīng)力索的監(jiān)測思路。 2．設(shè)計了適用于新建橋梁預(yù)應(yīng)力監(jiān)測用FBG傳感器的原型，通過試驗分析驗證了設(shè)計思路的可行性，并指出了實際應(yīng)用中還應(yīng)深入考慮的相關(guān)問

6、題。 3．通過一具體橋梁體外索加固監(jiān)測實例，給出了基于FBG對體外索施工及運營階段預(yù)應(yīng)力值可采取的監(jiān)測方式。 （三）基于FBG的智能斜拉索結(jié)構(gòu)研究 1．結(jié)合平行鋼絲斜拉索的生產(chǎn)工藝流程及平行鋼絲模型張拉試驗得到的相關(guān)結(jié)論，設(shè)計了智能斜拉索結(jié)構(gòu)的組成方案。 2．針對斜拉索的高應(yīng)力工作環(huán)境，分析了對于傳感器可采取的FBG預(yù)松弛方法。開發(fā)了一種能良好傳遞受力，測試斜拉索鋼絲應(yīng)變的微型應(yīng)變傳感器。通過對高應(yīng)力工作

7、狀態(tài)下應(yīng)變傳感器的工作條件進行模型等效，解決了其溫度補償問題。 3．針對平行鋼絲斜拉索的生產(chǎn)工藝特點，分析了智能斜拉索傳感器的保護措施，可能引起失效的原因及避免對策。 （四）基于FBG索力測試方法的索內(nèi)斷絲監(jiān)測研究 1．說明了斜拉索斷絲的危害性，由某一數(shù)值算例分析了斜拉索不同斷絲方式，斷絲程度下結(jié)構(gòu)線型，索力及應(yīng)力的響應(yīng)規(guī)律。比較了既有斜拉索內(nèi)斷絲監(jiān)測的手段，方法及特點。 2．提出了基于FBG索力測試方法

8、的斷絲監(jiān)測策略。聯(lián)合斜拉索的整體模型以及鋼絲為單元的局部模型，構(gòu)建了對應(yīng)于部分?jǐn)嘟z模式的以斜拉索索力值（平均應(yīng)力），智能斜拉索采集鋼絲應(yīng)力值為輸入?yún)⒘康哪Ｊ阶R別樣本庫。基于BP的模式識別方法驗證了提出的監(jiān)測策略能夠?qū)崿F(xiàn)斷絲區(qū)域定位及2%斷絲程度內(nèi)的監(jiān)測要求，且在小噪聲干擾下識別方法仍能發(fā)揮一定作用。 （五）基于EMD法的索力數(shù)據(jù)趨勢提取研究 指出了可利用EMD法對連續(xù)采集的索力監(jiān)測數(shù)據(jù)進行基于IMF分量的平均趨勢及高幅值