工程健康监测的分布式光纤传感技术及应用研究

摘要

工程结构的健康监测关系到工程质量和运营安全，其经济、社会效益极为显著。目前，大型土建工程的健康监测已成为国内外的发展趋势。 近年来，我国钢-混凝土组合结构特别是钢管混凝土结构发展迅速，广泛应用于桥梁、建筑、地下工程等。但钢-混凝土的界面损伤(脱空)，会严重影响工程质量和安全，受到工程界普遍关注。然而，钢管混凝土的脱空-裂缝损伤的发生发展具有隐蔽性、随机性，其有效监测是国内外尚未解决的难题。脱空传统检测有开孔法和超声法。钻孔损伤管壁，超声法须依赖经验综合定性评判，而非定量；误差多；属点式检测，检测范围小，现场工作量大，限用于施工期，不可长期使用。故迄今尚无监测管内混凝土损伤状态的有效方法。 作为工程结构健康监测和智能材料-结构领域的前沿研究热点，光纤传感以其独特的优势获得了较多关注，国内外已开始应用于土建工程，特别是桥梁，主要应用监测应变、温度等，但尚无监测钢管混凝土界面损伤的分布式光纤传感见诸报道。 本文研究结构健康监测的分布式光纤传感监测技术，采用理论分析、数值模拟、模型与仿真试验及工程应用相结合的研究路线，研制出分布式光纤脱空-裂缝传感监测技术和系统，成功应用于巫峡长江大桥工程。 (1)首次提出非正交构型的力-光直接转换机制的传感型式和光纤优化组合的核心技术，构建了检测界面损伤的分布式光纤传感技术和系统。光纤布设成与断裂面非正交的折线状构型，脱空(或裂缝)出现时，光纤受拉-剪复合力而直接生成微弯和光波导局部高损耗，实现了力学量(脱空变形)对光学量(光损耗)的直接调制，而勿需变形器。传感光纤经优化组合得以具有灵敏、可靠、大动态范围的综合优势。本系统可实现对脱空-裂缝的大范围、连续、长期、定量化监测，测定损伤部位、量值和发展过程。 (2)首次提出了光纤-混凝土复合体分析的细观力学双界面理论模型及其非线性数值模拟方法。 建立了考虑双接触面的复合体力学模型，给出了该力学模型的基本方程和定解条件，通过试验确定了接触面非线性分析参数，并计入接触面上的摩擦影响及刚性保护件对光纤周围细观力学场的扰动。给出了力学模型的非线性有限元算法，由增广拉格朗日方法加以实现。完成了两种光纤受拉、拉剪、光纤-保护件的拉剪等多种工况的计算。首次完成了光纤-混凝土复合体的细观力学的非线性理论模拟，用数值试验方法揭示出光纤及界面特有的细观现象及规律，在微弯区域出现了双界面脱离、界面滑移(涂覆-混凝土界面为主)、涂覆挤压变形、纤芯应力集中及断裂。数值分析表明涂覆层有利于扩大动态范围，但会钝化应力应变的传递；保护件距光纤过近会影响其传感性。以极限拉应变为判据，计算Ⅰ、Ⅱ型光纤动态范围与模型试验结果总体上基本相符；初步验证了理论方法的正确性，为光纤埋入混凝土后的力学分析提供了理论手段。 (3)提出了传感光纤的力-光本构关系的新概念，构建了高精度数字化力-光耦合试验系统，实现了光纤脱空传感模型试验的同步自动数据采集，解决了混凝土试件一旦脆性断裂，大量力-光信号数据瞬间丧失的难题；进行了大比尺预应变钢管混凝土脱空模型试验，获得光纤传感的力-光本构关系方程(式4.5)和光纤传感的主要技术性能，灵敏度高(脱空分辨率达0.02mm)、动态范围大(4.8mm)。据此给出了脱空值计算方法、研编了光纤监测系统专用软件，构成软硬件集成系统。 (4)光纤的精巧与土建施工状况间的反差很大，光纤安装埋设工艺是其工程应用的关键性难点之一。本文首次采用工程机械进行大规模仿真试验，研制了光纤的安装保护工艺和构造，该工艺在工程应用中得到检验，基本可行。经过实际工程应用，总结了进一步提高存活率的可行措施。 (5)将上述理论和实验研究成果应用于钢管混凝土拱桥——有“世界第一跨”之称的巫峡长江大桥的健康监测，完成4个主拱圈共12个关键监测区的光纤传感网络分段连续布置安装、系统链接、调试和监测。系统工作良好，监测到混凝土大范围脱空的量值、位置、范围、定量分布及发展规律。结果与超声法评判定性符合，特别是与开孔直接检查结果基本吻合，从而光纤检测结果得到了可靠的证实。光纤监测结果为该桥质量评价、脱空事故处理提供了可信信息和决策依据，据此进行了修复，提高了大桥安全度，收到实效。分布式光纤传感成功应用于桥梁健康监测在国内外均属首次，同时也是分布式光纤首次应用于土建工程的损伤监测。 综上，本工作遵循多学科综合和光纤传感高科技与土建传统领域大跨度交叉的技术发展路线，在光纤非正交构型与优化组合的分布式传感型式、埋入集材的光纤细观力学模型与双界面非线性分析理论、力-光本构关系、安装埋设工艺及工程应用方面，取得创新成果，在三峡库区重点工程中发挥了实际效益，完成一次“理论-实验-工程实践”的较完整的科研过程，初步证实了研究成果的科学性、前沿性和应用价值，推动了工程结构健康监测高技术领域的进展，具有重要学术价值和实际意义。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1概述

1.2钢-混凝土组合结构及其健康监测

1.3国内外研究现状

1.4本文研究的目的、意义及技术路线

1.5本文的组织安排和创新成果

第2章分布式光纤脱空-裂缝传感机理及技术

2.1光波在光纤中的传播

2.2光纤的损耗

2.3脱空-裂缝分布式光纤传感原理

2.4光纤传感的转换机制

2.5传感光纤选型及其优化组合

2.6本章小结

第3章光纤-混凝土复合体非线性有限元分析

3.1问题的提出

3.2光纤-混凝土复合体的细观力学非线性理论

3.3接触面参数确定

3.4有限元计算及结果分析

3.5本章小结

第4章传感光纤力-光本构关系及脱空定量算法研究

4.1力-光本构关系概念的提出

4.2混凝土模型脱空传感试验

4.3大比尺预应变钢管混凝土光纤传感试验

4.4试验数据分析与力-光本构关系

4.5实际工程脱空值定量算法

4.6光纤传感监测系统及其遥测方案

4.7本章小结

第5章传感光纤安装保护工艺研究

5.1光纤安装保护工艺研究的滑槽模型试验

5.2光纤安装保护工艺研究的泵送混凝土冲击仿真试验

5.3光纤安装保护工艺的工程应用研究

5.4本章小结

第6章光纤传感监测的实际工程应用研究

6.1工程概况

6.2光纤传感网络的布置类型和监测部位

6.3光纤传感网络脱空-裂缝监测及混凝土损伤状态

6.4本章小结

第7章结论

参考文献

攻读博士期间发表论文

攻读博士期间参与研究项目

攻读博士期间所获奖励

声明

致谢