基于分布式光纤传感及自传感FRP的结构智能化研究

摘要

近二十年，我国基础设施的建设取得了突飞猛进的发展，各类新型结构不断出现，同时其安全性能和防灾减灾能力也越来越受到重视。结构健康监测(SHM，StructuralHealthMonitoring)技术的研发及应用，大幅提高了结构的安全性能和防灾减灾能力。但是现有SHM存在一些挑战问题，如以加速度测量为代表提取的指标与结构性能变化的相关性弱，传感元件耐久性不足等。以分布式光纤传感为代表的新型传感技术具有优良的传感性能，能够将局部和宏观的信息有效融合，在SHM领域具有广泛应用前景。
　　在全面调查和研究了分布式光纤传感(即BOTDA:BrillouinOpticalTimeDomainAnalysis和FBG:FiberBraggGrating)性能的基础上，本文将光纤传感和纤维复合材料(FRP，FiberReinforcedPolymer)巧妙地结合研发系列新型光纤传感器和自传感FRP，提升了光纤传感的传感性能、耐久性能和施工性。尤其是自传感FRP，一方面光纤传感使FRP具有自传感功能，提高其安全性能;另一方面，FRP可对脆弱的光纤进行有效保护，提高其在土木工程等粗放环境下的适用性。在此基础上，利用分布式应变传感开发了系列结构关键评估理论和方法。基于分布式光纤传感和自传感FRP，还提出了智能钢筋混凝土(PC，ReinforcedConcrete)梁和智能RC柱的智能结构体系，并对其自传感功能和力学性能进行研究。
　　本文的主要研究内容和创新点如下:
　　(1)提出了基于高精度分布式光纤传感的系列光纤传感器和自传感FRP筋，并开发了制备工艺。根据光纤的复合形态，可分为全分布型和长标距型系列制品。优化了关键工艺参数，特别是光纤的长标距化封装，大幅提升了传感性能。其中，传感芯是制备自传感FRP筋的关键，通过在光纤外围编织纤维、包覆隔胶管以及预张拉控制等一次封装工艺而制成。
　　(2)研究了光纤传感器和自传感FRP筋的传感特性以及自传感FRP筋的力学性能。评估了尺寸和纤维含量对自传感FRP筋性能的影响，并提出了温度补偿方法。通过工艺优化，自传感BFRP筋的抗拉强度可达1000MPa以上，极限变形达到2.5％;其自传感性能稳定，具有良好的线性度，正常使用范围内基于BOTDA的应变监测精度为±15με，基于FBG的应变监测精度可达±2～3με。
　　(3)基于分布式应变传感，创新性地提出了一系列结构自监测、自诊断方法和理论，并进行了有限元分析和试验验证。在应变模态理论的基础上，发展并建立了中和轴识别方法及损伤识别指标体系，解决了传统时域方法离散性大的问题，所提出的“中和轴系数”指标对损伤敏感，仅次于应变模态;建立了基于应变模态的单元相对抗弯刚度评价方法，实现了损伤的量化;同时，建立了基于分布式动应变的结构动态位移监测理论及裂缝宽度评估方法。
　　(4)提出了基于分布式光纤传感和自传感FRP的智能RC梁和智能RC柱的智能结构体系。利用数值模拟和试验室模型，验证了智能结构体系的自监测、自诊断的智能性能。研究表明，基于传感器和自传感FRP筋监测的分布式动、静态应变，可以准确提取结构的关键性能评估指标，进行状态评估，并识别混凝土开裂、钢筋屈服等损伤信息;同时，自传感BFRP筋改善和优化了RC结构的力学性能，大幅提高了复合结构的极限强度和综合抗震性能。此外，开展了分布式光纤传感和自传感FRP在工程中的应用研究，探讨其在实际工程中的适用性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 智能材料与结构的基本概念及特点

1．2．1 智能材料与结构的基本概念

1．2．2 土木工程中智能材料与结构的特点

1．3 智能材料与结构的研究和发展

1．3．1 智能应变传感元件的发展概况

1．3．2 分布式光纤传感技术的研究和应用现状

1．3．3 基于分布式光纤传感的自传感FRP的研究和应用现状

1．4 研究目的、内容和主要创新点

1．4．1 研究目的和意义

1．4．2 研究内容、技术路线和主要创新点

第二章 分布式光纤传感及自传感FRP

2．1 分布式光纤传感技术

2．1．1 布拉格光纤光栅FBG

2．1．2 布里渊时域解调技术BOTDA

2．2 光纤传感器与自传感FRP

2．2．1 光纤传感器与自传感FRP

2．2．2 封装材料

2．2．3 光纤传感器与自传感FRP的制备

2．3 光纤传感器与自传感FRP的性能

2．3．1 应变传感性能

2．3．2 温度传感性能

2．3．3 力学性能

2．4 本章小结

第三章 基于分布式应变传感的结构自监测理论

3．1 结构智能诊断方法综述

3．1．1 静态方法

3．1．2 动态方法

3．2 基于分布式传感的结构自监测理论和方法

3．2．1 应变模态理论

3．2．2 中和轴

3．2．3 结构位移

3．2．4 抗弯刚度

3．2．5 裂缝宽度

3．3 本章小结

第四章 智能RC梁结构

4．1 RC梁的智能结构体系

4．1．1 RC梁的典型病害

4．1．2 智能RC梁结构

4．2 智能RC梁结构的传感系统

4．3 智能RC梁结构的智能诊断系统

4．3．1 基于纤维模型的理论和方法

4．3．2 基于动态解析的理论和方法

4．4 智能RC梁结构的数值模拟研究

4．4．1 模型概况

4．4．2 静态传感性能

4．4．3 动态传感性能

4．5 智能RC梁结构的试验研究

4．5．1 分布式光纤传感器外贴RC梁

4．5．2 自传感FRP筋现浇复合RC梁

4．5．3 自传感FRP筋嵌入式加固RC梁

4．6 本章小结

第五章 智能RC柱结构

5．1 RC柱的智能结构体系

5．1．1 RC柱的典型震害

5．1．2 智能RC柱结构

5．2 智能RC柱结构的传感系统

5．3 智能RC柱结构的智能诊断系统

5．3．1 基于纤维模型的理论和方法

5．3．2 基于动态解析的理论和方法

5．4 智能RC柱结构的数值模拟研究

5．4．1 模型概况

5．4．2 静态传感性能

5．4．3 动态传感性能

5．5 智能RC柱结构的试验研究

5．5．1 自传感FRP筋现浇复合RC柱

5．5．2 自传感FRP筋嵌入式加固RC柱

5．6 本章小结

第六章 在工程结构中的应用案例

6．1 自传感FRP筋在混凝土机场跑道中的应用

6．1．1 项目简介

6．1．2 自传感FRP筋的布设

6．1．3 监测试验及性能研究

6．2 长标距FBG在钢-混凝土组合梁轿中的应用

6．2．1 项目简介

6．2．2 传感系统的布设

6．2．3 监测试验及性能研究

6．3 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 全文主要结论

7．2 后续工作展望

致谢

参考文献

作者简介