新型光纤光栅传感器的开发及某钢结构梁改造全过程的监测与分析

摘要

多年来，土木工程事故频发，为了保障大型工程、重点工程及复杂工程等项目在建设、运营和改造中的结构安全性、完整性和耐久性，对其进行结构健康监测已成为必然要求和必要手段，近年来，结构健康监测已成为土木工程学科发展的一个重要领域和研究热点。由于光纤光栅传感器优越的性能，在结构健康监测中逐步取代传统传感器成为了首选传感元件。本文针对实际工程的需要，基于光纤光栅传感特性开发了一种夹持式光纤光栅微位移传感器和一种基于光纤光栅传感器的温度自补偿型智能螺栓，此外，本文采用了本研究所开发的光纤光栅传感器对某大型车间钢结构大梁的高温切割改造全过程进行了实时可视化监测和分析，得出了一系列有用的结论，本文的研究内容主要包括:
　　(1)介绍了本研究所研制的各类光纤光栅传感器，并基于已有的微型光纤光栅传感器和实际工程需要开发了一种夹持式光纤光栅微位移传感器，并对其进行了标定，结果表明此传感器性能稳定，满足实际工程的需要。
　　(2)基于本研究所研制的光纤光栅传感器，开发了一种具有在线监测螺栓应力变化功能的温度自补偿型智能螺栓。该智能螺栓既能利用毛细钢管封装的增敏型光纤光栅应变传感器的高应变灵敏度提高测量精度，又能够通过具有温度自补偿功能的光纤光栅消除温度变化减小测量误差，且一体化设计使智能螺栓的安装和数据的实时采集更为方便易操作，可广泛用于不同类型结构关键构件连接处的螺栓应力监测与抽检任务。
　　(3)为保证某大型生产车间钢框架平台梁在设备荷载作用下改造过程中的安全性，采用ANSYS软件对改造方案进行了有限元分析，并采用光纤光栅传感器对其改造全过程进行了实时可视化监测。通过钢梁的有限元结构分析以及高温切割过程中钢梁温度场分析，确定了钢梁的切割方案，同时为相应高温环境下的结构实时监测方案设计、传感器的布设以及实时监测预警阀值的设定提供了依据。监测过程中实时获取了现场钢梁的工作状态，并对实时监测数据进行了快速分析和评价，从而判断钢梁的安全性，以保证钢梁切割过程的顺利进行。监测结果表明，根据监测方案可以快速评价钢梁的受力状态，为切割机的前进速度提供指导，同时表明光纤光栅应变和温度传感器完全满足高温环境下的测量要求。可视化监测方案在快速预警方面的成功应用可为类似的结构改造提供结构健康监测依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 光纤光栅传感器的优越性能

1．3 光纤光栅传感器的研究进展和应用概况

1．3．1 光纤光栅技术的研究进展

1．3．2 光纤光栅传感器的研究进展

1．3．3 光纤光栅传感器的应用概况

1．4 本文的研究内容

2 新型光纤光栅传感器的开发

2．1 光纤光栅传感器的传感原理

2．2 夹持式光纤光栅微位移传感器的研发

2．2．1 开发背景

2．2．2 传感器结构设计

2．2．3 传感器的标定实验及结果

2．3 基于光纤光栅传感器的温度自补偿型智能螺栓的研发

2．3．1 智能螺栓的结构设计

2．3．1 智能螺栓的优越性能

2．4 小结

3 某钢结构梁改造全过程的监测与分析

3．1 引言

3．2 工程概况

3．3 钢结构大梁有限元分析

3．3．1 有限元分析模型的建立

3．3．2 变形和应力分析

3．3．3 修改后钢梁的稳定性分析

3．3．4 修改后钢梁的切割温度场计算

3．4 结构健康监测方案设计

3．5 监测结果分析

3．6 小结

4 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢