基于光纤光栅传感器的桥梁健康监测系统的设计与实施

摘要

大型桥梁的发展使人们对桥梁安全性与耐久性的要求越来越高，因此，大桥的健康监测系统越来越引起重视。通过它能及时了解桥梁的健康状况，确保大型桥梁结构的安全使用，为桥梁的维护、加固提供重要依据。合理地设计和实施桥梁健康监测系统，不仅能降低监测系统建设成本，提高健康监测系统的建设效率，还能提高健康监测系统的有效性。
　　 由于光纤光栅传感技术的发展，它能满足现代工程结构监测的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求，为实现对现代工程结构长期实时健康监测和安全评估，提供了一种良好的技术手段。
　　 本文以广州珠江黄埔大桥为工程依托，针对光纤光栅传感器的有效性和大桥健康监测系统问题，开展了如下的研究工作：
　　 （1）针对光纤光栅在制作过程中的损失能降低光纤光栅传感器的有效量程问题，分析了光纤光栅传感器制作过程中的损伤情况和导致损伤的主次原因。通过对光纤进行强度拉伸试验，量化地分析损伤原因，发现紫外光强度是影响带光栅的光纤强度的最主要因素。
　　 （2）建立了珠江黄埔大桥的有限元模型，通过整体和局部有限元分析，确定珠江黄埔大桥布置传感器的断面和每个断面上传感器的位置和数量，为桥梁健康监测系统的设计打下基础。并通过有限元分析，确定桥梁铺装层传感器的测点。
　　 （3）开展了桥梁应变监测系统的设计。重点设计传感器子系统，包括光纤光栅传感器的连接方案和测量通道设计，振弦式传感器子系统的连接方案等。还设计了数据采集系统、数据传输系统、以及数据接收系统等。并参与了健康监测系统的实施。
　　 （4）利用桥梁成桥静载试验对新建设的健康监测系统进行了检验。通过对静载试验的一个加载工况进行有限元模拟，将该工况下的通过健康监测系统得到的实测值与理论值进行对比，发现二者的结果比较吻合。同时对铺装层也进行了有限元分析，并与实测值结果进行了对比，结果显示通过加强梁段的短横隔板可以改善铺装层受力情况。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 研究课题提出的背景及意义

1.2 光纤光栅传感器

1.2.1 光纤光栅传感器的工作原理

1.2.2 光纤光栅传感器的可靠性分析

1.2.3 光纤光栅传感器的应用

1.3 桥梁健康监测系统

1.3.1 桥梁健康监测系统的基本组成

1.3.2 桥梁健康监测系统的设计方法

1.3.3 著名桥梁健康监测系统简介

1.4 本文工作

第二章 光纤光栅制造中光纤损伤研究

2.1 光纤损伤对光纤光栅传感器的可靠性影响

2.2 光栅制作过程的光纤损伤机理分析

2.2.1 光纤光栅制作工艺

2.2.2 光纤光栅制作过程中的损伤主要因素

2.3 光纤损伤的实验研究

2.3.1 试验方案设计

2.3.2 实验结果与分析

2.4 本章小结

第三章 监测系统相关的有限元分析

3.1 有限元分析在健康监测系统设计中的意义

3.2 局部有限元分析模型

3.2.1 整桥模型分析结果

3.2.2 局部梁段模型分析结果

3.3 铺装层有限元分析

3.3.1 正交异性钢桥面铺装模型

3.3.2 最不利荷载位分析

3.4 小结

第四章 桥梁健康监测系统的设计与实施

4.1 依托工程概况

4.2 应变健康监测总体方案设计

4.2.1 监测断面选择

4.2.2 传感器子系统

4.3 光纤光栅传感器系子系统的设计与实施

4.4 振弦式传感器系子系统的设计与实施

第五章 桥梁静载实验理论与实测数据对比

5.1 静载方案

5.1.1 整桥静载方案

5.1.2 铺装层静载方案

5.2 传感器测值与理论对比

5.2.1 箱梁传感器测量值与理论对比

5.2.2 桥面铺装层传感器测量值与理论对比

5.3 小结

第六章 结论与展望

6.1 论文工作总结

6.2 有待进一步研究的问题

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢