岩土锚固fbg-frp锚杆及其智能监测系统

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1、中国图书分类号：TU312.1国际图书分类号：624工学硕士学位论文岩土锚固的FBG-FRP锚杆及其智能监测系统硕士研究生：白金超导师：欧进萍教授、院士申请学位：工学硕士学科、专业：土木工程、结构工程所在单位：土木工程学院答辩日期：2008年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TU312.1U.D.C.:624DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringFBG-FRPANCHORBOLTSANDINTELLIGENTMONITORINGSYSTEMSOFGROUNDANCHORAGECandidate：

2、BaiJinchaoSupervisor：Prof.OuJinping,MemberofCAEAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：StructuralEngineeringAffiliation：DepartmentofCivilEngineeringDateofDenfence：July,2008Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要本文从解决岩土锚固安全问题的角度出发，针对锚固耐久性及其安全监测需要，结合FRP材

3、料的优良特性和光纤光栅传感器的感知性能，研制开发出了FBG-FRP智能锚杆，通过理论分析和有限元模拟研究了FRP锚杆的工作机理，并根据岩土锚固的目的确定了锚固系统的监测内容及方法，构建了岩土锚固的智能监测系统，主要研究内容如下：首先，介绍了FRP材料的构成及其特点，阐述了FBG的传感原理及其参数选取原则，在此基础上，构思并开发出了FBG-FRP智能锚杆，该锚杆能充分发挥FRP材料的优点来满足岩土锚固的需求，同时具有耐腐蚀、易清除和自监测等优点。其次，分析了在轴向荷载作用下FRP锚杆锚固段上的界面粘结力分布特征，并基于Mindlin问题的位移解将其与钢锚杆做了对比计算；根据

4、简化的粘结-滑移关系，从围岩与锚杆相互作用的角度，推导了FRP锚杆轴力和界面剪切力的计算公式；研究了FRP锚杆的存在对节理面抗剪能力的影响，并分析了在发生拉剪大变形时，FRP锚杆在节理面上的变形角及内力的计算方法，还结合Tsai-Hill破坏判据提出了FRP锚杆的拉剪破坏准则。接着，针对采用ANSYS自带库仑摩擦模型模拟锚杆-砂浆滑移时存在的缺陷，提出了引入“生死”单元的方法，成功地建立了与试验结果吻合得较好的FRP锚杆拉拔试验有限元模型；根据数值模拟结果，分析了FRP锚杆与砂浆界面的剪切力随拉拔荷载增大时的演化过程，以及锚固系统的内力和位移的分布特征，并讨论了锚固长度对

5、锚杆承载力的影响。最后，分析了使用传统拉拔试验方法检测锚固质量时的不足；基于岩土锚固的目的，提出了锚固效果的评价指标及其监测内容；讨论了钻孔过程、锚杆内力、锚固段长度及密实度、围岩压力和位移等方面的监测方法，并据此构建了岩土锚固的智能监测系统，还提出了锚固系统的动态设计与全寿命维护的思路。关键词岩土锚固；FRP锚杆；智能监测；FBG-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractTosolvethesecurityproblemofgroundanchoragesystem,thispaperaimsattheneedofdurabilityandsafetymoni

6、toringofgroundanchorage.ConsideringtheexcellentcharacteristicsofFRPmaterialandFBG’ssensingproperties,anewkindofFBG-FRPintelligentanchorboltshasbeendeveloped.TheworkingmechanismofFRPanchorboltshasbeenstudiedbytheoreticalanalysisandfiniteelementsimulation.Thecontentsandapproachesformonitori

7、ngoftheanchoragesystemshavebeendeterminedaccordingtotheobjectiveofgroundanchorage,andtheintelligentmonitoringsystemsofgroundanchoragehavebeensetup.Themaincontentsinclude:Firstly,thecompositionandcharacteristicsofFRPmaterialhavebeenintroduced,FBG’ssensingpropertiesan