分布式光纤传感技术在结构应变及开裂监测中的应用研究

摘要

分布式光纤传感技术引入国内已有近十年时间，已在相当工程中得以应用，并取得了许多成果。然而，在实际工程应用中分布式传感光纤的布设技术和工艺扮演着重要角色，布设过程中必须考虑光纤的存活率，过多线路修复会明显增加线路的光纤损耗，从而造成监测网络稳定性降低甚至失效。特别是大型新建结构监测，施工过程铺设的分布式传感光纤极易受其它工种破坏，将其埋入结构内部可为传感光纤提供稳定工作环境。BOTDA作为一种分布式监测技术，通过合理地设计监测网络可实现结构整体性能的监测，但构件的局部相关性能如结构开裂，同样也是影响结构安全性、适用性及耐久性的关键指标。
　　 本文围绕BOTDA技术应用于结构应变和开裂监测中的关键技术，通过理论分析和试验研究完善了分布式传感光纤在混凝土内部的布设工艺，同时进行了分布式光纤监测结构开裂的试验研究，作为结构整体健康监测的重要补充。
　　 本文主要的研究工作归纳如下：
　　 (1)采用气吹-灌浆技术进行混凝土内部光纤布设工艺的研究和完善：依据三步骤布设传感光纤，首先通过研制的微管固定装置在结构内部布设微管，再采用气吹技术将传感光纤吹入微管，最后采用灌浆技术固定传感光纤。并通过室内模拟试验，比选传感光纤类型、微管连接方式、一次性布设长度等，完善布设工艺；
　　 (2)分布式光纤传感器应变传递性能分析和研究：通过理论分析和试验研究对埋入式及表面式光纤传感器的应变传递性能进行系统研究，分析不同管径、光纤类型、粘结剂对测量精度的影响，为适应于不同结构的传感器优化设计提供指导；
　　 (3)依托隧道健康监测项目，进行了气吹-灌浆工艺铺设传感光纤的工程应用，实现了混凝土内部应变的分布式监测。将光纤时变应力场监测结果与施工初期埋入的传统传感器初始应力场叠加，得到隧道二衬的长期真实应力水平。通过Labview软件编制了数据处理及评估软件，通过光开关等硬件设备集成了隧道健康监测系统；
　　 (4)研究利用BOTDA技术对历史文物进行了保护监测，考虑到文物具有历史价值高、损伤监测范围大、美观要求高等特点，设计了合理的光纤布设方式和全过程监测方案。并将其运用在某独木舟出土全过程监测中，监测数据表明，采用的文物保护、加固措施非常有效，可保证独木舟出土、保护、馆藏过程中的安全，同时也证实了分布式光纤传感技术在文物保护中具有实践意义；
　　 (5)结合BOTDA和光纤光栅(FBG)监测技术，对某砖混结构的托换梁改造加固进行了检测，为圈梁托换成框架梁的整个过程进行安全监测。一方面保证了托换过程的安全性，另一方面为所设计的托换方式的有效性和工作性能研究提供了数据支持，为后续托换梁优化设计提供参考；
　　 (6)进行了BOTDA技术在结构开裂监测中的应用研究，采用标定试验和斜交光纤组的方式监测裂缝的宽度及走向，建立了光纤应变和裂缝宽度、夹角间的关系。并采用室内模拟及加速锈蚀的方式，研究其应用于钢筋锈蚀监测中的可行性和有效性；
　　 (7)在大量工程应用和室内试验的基础上，总结了使用BOTDA技术过程中的问题及解决方法，为解决分布式光纤传感技术应用于结构健康监测的关键技术提供了参考。