大型钢管混凝土拱桥的光纤传感监测系统 - 西部交通建设科技项目管理

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1、西部交通建设科技项目合同号：200131800089交通编号：密级：单位编号：分类号：大型钢管混凝土拱桥的光纤传感监测系统研究报告简本四川省交通厅公路规划勘察设计研究院四川大学四川路桥建设股份有限公司2004年12月1.研究目的意义我国钢管混凝土拱桥的建设发展迅速，跨度和规模越来越大，在国际上居于绝对优势，应用前景广阔，但其受力机理尚不够清楚，满载超载和寿命运行的极限考验尚属空白，特别是管内混凝土的脱空、裂缝对钢管与混凝土共同作用以及工程安全的影响，受到工程界普遍关注。然而，管内混凝土脱空、裂缝这一类质量缺陷和损坏，由于其隐蔽性

2、和发生发展的时空随机性，其有效检测（不漏测、定量）的技术难度很高，是该桥型国内外迄今尚未解决的技术关键之一，它直接关系到工程质量和工程安全。为此，针对我国交通建设和桥梁科技的迫切需要，遵循跨越式发展的方针，研制了大型钢管混凝土拱桥的分布式光纤传感监测技术和系统，运用高科技手段，实现对管内混凝土脱空、裂缝的大范围、定量化长期监测（涵盖施工期、运营期），及时做出安全评价，防患未然，进而查明套箍作用的规律，完善设计理论，提高我国钢管混凝土拱桥的科技水平，是一项桥梁结构健康监测和无损检测的先进的高端技术。2.国内外研究概况桥梁健康监测是

3、国内外的发展趋势，具有明显的经济、社会效益。其常规检测器属于点式电测仪器，而最新发展则是光纤传感器，其中分布式光纤传感属尖端技术，可构成传感网络实现连续检测而不致漏测，但限于温度监测，国内外尚无监测钢管内混凝土脱空的分布式光纤系统。3.主要研究内容及实施方案主要研究内容包括：（1）分布式非正交光纤脱空传感技术；（2）传感光纤优化组合；（3）光纤-混凝土复合体的细观力学分析理论和数值模拟；（4）脱空传感光纤的力-光本构关系和试验；（5）传感光纤定位保护工艺构造的试验研制；（6）研制光纤系统的工程应用研究路线是试验研究与理论分析密切

4、结合，以试验为主；室内试验和工程现场密切结合，以现场工作为主。项目依托工程为巫峡长江大桥，组合跨径492m（净跨460m），为当今该桥型的“世界第一跨”，主拱圈8×Φ1220mm，2004年底竣工，见照片1。照片14.关键技术4.1分布式非正交光纤脱空传感技术沿光纤传播的光波导沿程各点都会有能量损耗，其中最主要的本征瑞利散射光的控制方程为：（1）式中为光功率，散射点沿程距离；后向散射光捕获比；光波导群速；和各为光纤前向、后向衰减系数，光纤辐射系数。光纤布置成与钢管壁有一定夹角（非正交构型），当交界面处脱空生成时，混凝土牵动光纤（

5、对光纤施加拉剪力）致使出现微弯和相应的局部高损耗。首次提出检测管内混凝土脱空的非正交光纤传感构型以实现力-光直接转换机制。它是基于瑞利散射原理的微弯效应型光纤传感技术，由混凝土脱空（或裂缝）直接生成光波导的微弯损耗，如图1。利用OTDR（光时域反射仪）对后向瑞利散射光加以接收、分析，得出衰减波形和脱空（或裂缝）的微弯损耗值，按光学雷达原理予以定位。(a)脱空传感光纤布置(b)脱空出现后光纤形态图1.脱空传感的微弯调制(θ-夹角h-脱空值)4.2传感光纤优化组合试验表明，光纤传感的灵敏度、可靠性、量程和存活率等基本性能与光纤涂覆层

6、密切相关。为此，构建了优化组合传感光纤，即涂覆层厚薄各异的数种光纤，加以优化组合，优势互补，共同构成一条传感光路，以显著提高其综合性能。采用试验测试并配合以理论计算，优选和研究了三种光纤：Ⅰ型：10/125/250um单模光纤；Ⅱ型：10/125/900um紧套单模光纤；Ⅲ型：10/125/600um紧套单模光纤。Ⅰ型光纤灵敏，而Ⅱ型光纤量程大，Ⅲ型性能介乎两者之间。综上，钢管混凝土拱桥的分布式光纤传感监测系统的主要组成如图2。需要时，可由inter网，双绞线、无线通讯等方式实现遥测。此系统具有大范围、长期、定量检测功能，可对全

7、拱任何一处随机出现的脱空（或裂缝）测定其脱空值（或缝宽）、部位、空间分布和发展过程。图2.分布式光纤监测系统控制流程图4.3光纤监测系统的细观力学分析和非线性有限元方法光纤混凝土的传感机理基于光纤-混凝土复合体的力-光耦合作用，在力学上属于细观力学范畴。复合体内包含混凝土-涂覆、涂覆-石英光纤两个界面，在复合体变形过程中，遵从摩尔－库仑理论，且属于摩擦接触面。弹性摩擦接触问题的定解条件即双界面的接触条件可表述为以下三种类型：(1)界面粘合，(2)式中，表示接触面的接触应力分量；为摩擦系数。(2)界面滑动，(3)(3)界面脱开(4

8、)此问题采用基于增广拉格朗日乘子法的非线性有限元方法求解，用知名软件ANSYS实现。光纤与混凝土的破裂面（脱空面或开裂面）斜交时，混凝土破裂时光纤受拉伸-剪切复合力的作用。图3.光纤-砼复合体承受拉剪作用的应力场数值分析可知，裸光纤内应力集中明显，最大拉应变区出