工程健康监测的分布式光纤传感技术及应用研究

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1、四川大学博士学位论文工程健康监测的分布式光纤传感技术及应用研究姓名：丁睿申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：刘浩吾20051001四川大学工学博士学位论文Y846987工程健康监测的分布式光纤传感技术及应用研究专业：岩土工程研究生：丁睿指导老师：刘浩吾教授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。茸前，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，我国钢一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。但钢一混凝土的界面损伤(脱空)，会严重影响工程质量和安全，受到

2、工程界普遍关注。然而，钢管混凝土的脱空一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一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，主要应用光纤光栅监测应变、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

3、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一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一光直接转换机制的传感型式和光纤优化组摘饕合的核心技术，构懿了检测界顾损伤的分布式光纤传感技术和系统。光纤布设成与断裂灏非正交的折线状构溅，脱空(或裂缝)如现时，光纤受拉一翦复合力雨直接奄成徽弯鞠光渡导弱部高损耗，实现了力擘量(脱空变形)对光学薰(光损耗)的直接调制，而勿需变形器。传感光纤经优化组台得以具有灵敏、霹靠、大动态范围戆综合优

4、势。本系统霹实现对黢空一裂缝熬大范围、连续、长期、定艇化监测，测定损伤部位、量德和发展过程。(2)首次提出了光纤一混凝士复合体分析的细观力学双界面理论模型及其li线往数镶模羧方法。建立了考虑双接触面的复台体力学模型，给出了该力学模型的基本方程和定解条件，通过试骏确定了接触面非线髋分析参数，并计入接触面上的摩擦影响及两《经保护侔对光纤周围绷观力学场的扰动。给出了力学横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．僚护谗戆靛剪等多耱王嚣懿谤算。善次宠残了巍缚．混凝±炭舍髂戆鬃溪力学的非线性理论模拟，用数值试

5、验方法揭示出光纤及界面特肖的细观现象及规终，在微驽区域出现了双界面脱离、晃颓滑移(涂覆-混凝土界面为主)、涂覆挤匿变形、纤芯盔灸集中及颧震。羧值分耩表舞涂覆层有j}i

6、子扩大动态范霾，但会钝化威力应变的传递；保护件距光纤过近会影响其传感性。以极限拉应变为刿据，谤算I、Il型光纾动态范围与模型试验绩暴总体上旗本相褥；初步验证了理论方法的正确性，为光纤埋入混凝土后豹力学分析提供了理论警段。(3)提出了传感光纤的力一光本构关系的新檄念，构建了高精度数字化力一必藕舍试验系统，实瑗‘了凳纾隧窒簧戆搂鍪l试验鹣目步自动数蕹采集，解决了混凝土试件一旦臆

7、性断裂，大量力一光信号数据瞬间丧失的难题；进行了大比尺预应嶷钢管混凝_±脱空模型试验，获褥光纾传感盼力一兆本构关系方程(式毒．5)和光纤传惑酌定要技术靛能，灵敏发商(脱象分辨率这0．02ram)、动态范围大(4．8哪)。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，}奄戒软磷箨集残系统。(4)光纤的精巧与土建施工状况间的反差很太，光纤安装埋设工艺是其工程应用的关键性滚点之一。本文首次采用工程机械进行大觌模仿真试验，研翻了光纾瓣安装保护工艺和梅潦。该工麓在工程蔽耀串褥戮梭验，基本可行。踌列天攀工学祷士学位论文缀过窭羝工程应惩，毖缝了

8、遗一疹疆囊襻溪率戆可行摧藏。(s)将上述理论鞫嶷验研巍成果波用予钢管混凝土擞桥——有“世器第一跨”之称懿巫蛱长江大耩熬健康整测，宠成4个主拱霞凝12个美德鼗测区的光纤传感网络分段遣续布置安装、系统链接、调试和麓测。系统工作趣好，黢测至§漉凝±太魏露聪空戆璧蠖、燕鬟、莲蓬、悫量分毒获发黢糕樽。绩暴与超声法评判定性符合，特别是与歼孔直接检查结聚基本吻合。从而光纤检测结暴得到了可靠的诋实。必纤监测结果为该掭餍璧评价、脱空事故处理提供了可镶傣崽帮决策依攒，攒照进行了修复，撬舞了夹轿安全度，收到实效。分布蔽必绎鼹戆成功应爝予横浆健袋缎测在霞淘步}均

9、麟簧次，燕越瞧楚分蠢式走纾蓑次应髑予土建工程的损镄监测。综上，本工佟遵疆多学辩综会鞠必纾健感惑秘援与±建传统领域大跨度交叉的技术发震路线，在必纾a#蔗交构銎≮傀纯缀食豹分布筑捷感激盛、淫入集材