橋隧工程安全監(jiān)測(cè)的光纖光柵傳感理論及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的不斷深入，橋梁和隧道工程建設(shè)快速發(fā)展，且工程建設(shè)重點(diǎn)逐漸向復(fù)雜地區(qū)轉(zhuǎn)移，與此同時(shí)施工環(huán)境逐漸惡劣，地質(zhì)條件越發(fā)復(fù)雜，橋梁與隧道工程建設(shè)施工期與服役期的安全事故頻發(fā)，并造成嚴(yán)重的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)災(zāi)害類型及事故特點(diǎn)，研究適用于橋梁與隧道工程安全監(jiān)測(cè)的傳感理論與技術(shù)，是解決橋隧工程安全難題的有效方法。光纖光柵(FiberBraggGrating，F(xiàn)BG)傳感技術(shù)以其材質(zhì)、精度、組網(wǎng)能力等優(yōu)勢(shì)，為解決該難題提供了可行

2、的途徑，但目前橋隧工程安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，植入光纖光柵的智能土工材料研究較少，傳感器件大多僅考慮普通光纖光柵軸向均勻應(yīng)變特性，器件選擇與傳感特性研究較為單一，微型化與高精度的光纖光柵傳感器研究不夠完善，不能滿足復(fù)雜環(huán)境下橋隧工程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文以橋梁與隧道工程安全監(jiān)測(cè)為應(yīng)用背景，研究光纖光柵傳感理論與關(guān)鍵技術(shù)，以橋隧工程中不同災(zāi)害類型的工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及模型試驗(yàn)為依托，在分析光纖光柵軸向應(yīng)變傳感模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)橋隧

3、工程的應(yīng)用需求，采用有限元法優(yōu)化設(shè)計(jì)了微型化、高精度光纖光柵傳感器系列;發(fā)揮光纖光柵可植入性強(qiáng)的巨大優(yōu)勢(shì)，研究光纖光柵與土工格柵的在線復(fù)合工藝，研制了集測(cè)量與加固于一體的智能土工格柵及其二維、三維變形場(chǎng)傳感方法;以新型光纖光柵的傳感特性為突破口，研究了復(fù)雜空間應(yīng)力條件下啁啾、相移光纖光柵的光譜變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了光纖光柵傳感器在橋隧工程現(xiàn)場(chǎng)及模型試驗(yàn)中應(yīng)用，最后基于支持向量回歸機(jī)對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的智能性與可靠性。本文的主要

4、研究工作如下:
　　1、根據(jù)橋隧工程某些應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)小體積、多參數(shù)傳感器的需求，在分析光纖光柵傳輸理論與傳感模型的基礎(chǔ)上，基于有限元力學(xué)仿真，對(duì)多參數(shù)光纖光柵傳感器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制了高精度、微型化的光纖光柵傳感器系列，包括:應(yīng)變損失小的表貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器、高精度的光纖光柵位移傳感器、與被測(cè)介質(zhì)匹配良好的微型光纖光柵土壓力計(jì)、適用于裂隙與管道流速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的光纖光柵流速計(jì)，詳細(xì)研究了不同參數(shù)傳感器的傳感原理與性能特性，為橋隧工程

5、安全監(jiān)測(cè)特殊場(chǎng)合的應(yīng)用提供有效的技術(shù)手段。
　　2、針對(duì)橋隧工程的智能土工材料研究的不足，以橋隧工程中用于結(jié)構(gòu)加固的土工格柵為載體，結(jié)合光纖光柵易植入、局部檢測(cè)精度高、成本低等的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)研究光纖光柵與土工格柵的在線植入工藝，研制了集測(cè)量與加固于一體的智能土工格柵;組建基于自修復(fù)FBG傳感網(wǎng)絡(luò)的智能土工格柵傳感系統(tǒng)，并開展智能土工格柵拉伸性能試驗(yàn)，驗(yàn)證光纖光柵對(duì)格柵拉伸的響應(yīng)特性。在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究了基于離散曲率的土工格柵變形傳感

6、方法，實(shí)現(xiàn)了基于智能土工材料的橋隧工程中二維及三維變形場(chǎng)傳感，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性，本章研究填補(bǔ)了具有空間變形場(chǎng)自傳感功能的橋隧工程智能型土工材料的研究空白。
　　3、針對(duì)均勻光纖光柵在空間復(fù)雜應(yīng)力下容易發(fā)生光譜畸變，造成無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)力的測(cè)量，且軸向應(yīng)變測(cè)量嚴(yán)重失真的難題，以啁啾光纖光柵(ChirpedFiberBraggGrating，CFBG)與相移光纖光柵(PhaseShiftedFiberBraggGrating

7、，PSFBG)這兩種典型的非均勻光纖光柵空間應(yīng)力傳感特性為突破點(diǎn)，通過(guò)分析啁啾、相移光纖光柵這兩種新型光纖光柵傳感器件的空間“力—光”特性，研究其在軸向均勻與非均勻受力、不同大小徑向力、不同徑向力分布角度等復(fù)雜空間應(yīng)力下光譜形狀、中心波長(zhǎng)、帶寬、反射率等光譜信息的響應(yīng)規(guī)律，獲取了基于非均勻光纖光柵的復(fù)雜空間應(yīng)力測(cè)量方法，并拓寬了新型光纖光柵器件的應(yīng)用領(lǐng)域。
　　4、針對(duì)橋梁與隧道工程中傳統(tǒng)傳感方式監(jiān)測(cè)精度低、匹配性差的缺陷，組建了

8、基于高精度與微型化光纖光柵傳感器系列的光纖光柵傳感系統(tǒng)，并應(yīng)用于橋梁與隧道工程現(xiàn)場(chǎng)及模型試驗(yàn)中。針對(duì)橋梁與隧道工程中不同的事故類型與應(yīng)用場(chǎng)合，分別對(duì)隧道支護(hù)變形、橋梁節(jié)段接縫位移、動(dòng)水注漿裂隙流場(chǎng)流速、海底隧道圍巖壓力等不同物理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析這些監(jiān)測(cè)參數(shù)對(duì)隧道變形、橋梁下?lián)?、突水等?zāi)害治理、圍巖應(yīng)力釋放等過(guò)程的響應(yīng)規(guī)律，驗(yàn)證系統(tǒng)中光纖光柵傳感器系列的實(shí)用效果。
　　5、針對(duì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中的光纖光柵傳感系統(tǒng)由于光譜畸變或傳感器損