泗阳大桥工程之光纤光栅智能拉索研究与应用

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1、泗阳大桥工程之光纤光栅智能拉索研究与应用第1章绪论1.1研究的背景与意义斜拉桥是一种跨越能力很大的现代化桥型，它不像悬索桥那样需在桥梁两端设置巨大昂贵的锚墩结构，它依靠自身主梁、索塔与斜拉索形成自锚结构体系。斜拉桥的斜拉索作为桥梁的主要受力构件，其受力情况直接关系到桥梁是否处于安全运营状态。斜拉索的索力值是评价拉索结构的一个重要参数。在施工阶段，斜拉桥索力测试是斜拉桥施工控制的一项重要内容，施工过程中的索力控制是关系到施工过程中结构内力和成桥状态等的重要环节。在斜拉桥建成后的运营阶段，索力测试是桥梁是否处于安全使用状态的重要指标。由于受测试仪器、计算模式、

2、斜拉索锚固方式、索的不同长度、斜度以及垂度等因素的影响，索力的量测往往会出现一定的偏差，且不同的工程也存在较大的差异。因此，斜拉桥索力测试的准确与否是关系到斜拉桥施工控制能否顺利实施、斜拉桥能否成功修建、运营使用状况是否安全的关键问题之一。压力表读数法：压力表读数法是指把一些力学量(压力或压强)转化为可见的刻度，通过表针读示数的方法，这种方法常常配合千斤项使用。在使用时，通过精密的压力表或者液压传感器测定油缸的液压，从而换算出索力。该方法简单易行，主要用于在施工过程中控制和调整索力，是目前用于桥梁拉索索力测量的常用方法之一。但由于压力表本身具有指针偏转过快

3、，易偏位，高压时指针抖动比较激烈，读数时存在人为的随机误差等特点，因此，它不可用于成桥后的索力的动态测量，也不适用于桥梁运营期间长期的在线索力测量。1.2国内外研究现状早在上个世纪的50年代初，世界许多国家的桥梁工程专家们就提出了桥梁结构安全健康监测的理念，可是受到当时历史时期科学技术发展水平的限制，尤其是信息技术、传感测试技术的研究及应用的局限，没有做到对桥梁结构状况进行长期技术数据信息的采集，从而无法实现对桥梁结构的技术、使用安全等状况进行评估[3]。上个世纪80年代初，受到自然界的生物进化的启发，科学家们提出了将桥梁等结构体系与特制的智能传感材料相结

4、合，应用传感测试和技术信息处理技术相结合的手段，让桥梁等结构物可以向有生命的生物肌体一样，对自身的受力、温度、变形及结构安全等具有自感知、自诊断及自身调节适应的功能[1]。这些理念推动了桥梁工程等特大型结构的健康监测的研究、应用和发展，尤其是应用这一理念建立起来的结构健康监测系统，具有及时反映结构安全隐患的功能，能够及时预告工程的结构安全性和可靠性，从而从根本上解决了桥梁等结构物在其使用周期内的健康安全监测的问题。结构健康监控技术是将智能材料运用到结构中，利用智能材料中的特殊的传感器件，实时在线的得到结构安全健康状况的重要信息[1]，例如：振动频率、应变、

5、应力、温度等。获得和结构的有关信息后，对信息进行处理，分析得到结构的实际参数（如回弹模量等），建立结构的力学模型，在分析计算的基础上，识别结构的安全使用健康状态，采取相应的技术措施，消除结构物的不安全因素，或抑制结构物安全隐患的进一步发展。以上的结构健康监控技术能够实现结构的自身诊断、自身修护，从而保证桥梁建筑等结构物的正常安全使用。而仅有检测功能而没有主动控制、自身修护功能的称为结构健康监测系统。.第2章智能索的研究2.1光纤光栅传感器光纤光栅传感器,英文名称是FiberBraggGrating，是波长调制型的非线性作用的传感器。Bragg指的是Brag

6、g父子，他们是X射线结晶学的先驱。这对父子发现，单色射线以一定的角度射入晶体，反射光将集中到一个特定的方向。这种现象在光纤光栅里面也会发生。通过测量反射光的波长变化，来测量经调制的入射光。光的波长是不变的，不随光纤的连续折射及耦合器的损耗影响而产生变化[13]。因此，光纤光栅传感器是在光纤的一定范围内沿光纤轴线的方向使纤芯折射率发生周期性变化所形成的芯内体光栅，是一种准分布的传感器。光纤光栅，又称为BraagGrating，是将通信用的光纤中的一部分，利用掺锗光纤的非线性吸收效应的紫外全息曝光法而制成的，是一种纤芯的折射率周期性变化的光栅。这种光栅的特点是

7、，它可以让一般的光不受任何影响地全部通过，而对具有特定波长的光会在布拉格光栅处经反射后会再回到原来的方向。如果布拉格光栅处受到外力的作用，使光栅的间隔发生改变，经布拉格光栅反射到原来方向光的波长也会产生变化，这些反射回来光的波长还与BraggGrating光栅的周期和纤芯的有效折射率受到的扰动有关。所以，人们可以通过检测BraggGrating波长的变化来检测应变和温度的情况。2.2光纤光栅的基本原理现在很多工程结构测量结构应力应变和温度的传感器首选光纤光栅传感器，光纤光栅传感器是用光纤（Bragg）光栅作敏感元件的功能性传感器，它采用紫外激光对光纤进行直

8、接写入曝光，使光纤在纤芯上的折射率周期性的变化后形成光纤光栅。当一