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原文传递结构健康监测的光纤光栅传感网络及其工程应用

论文题名：	结构健康监测的光纤光栅传感网络及其工程应用
关键词：	结构健康监测;光纤光栅传感器;大规模传感网络;T型管节点;海洋平台;大型桥梁
摘要：	本文研究结构健康监测的新型光纤光栅传感器、复杂应力状态监测试验以及大规模光纤光栅传感网络系统及其在大型工程结构中的应用。主要研究内容如下：　　首先，针对土木工程结构二维平面应变监测、大标距应变监测、裂纹宽度监测与位移监测的实际需要，研制了光纤光栅应变花式二维平面应变传感器、预张拉大标距光纤光栅应变传感器与光纤光栅位移传感器等三种新型的封装光纤光栅传感器。结构平面应变监测试验结果表明：直角光纤光栅应变花与三角型光纤光栅应变花能够准确测量测点处平面应变状态、确定主应力大小和方向。研制开发的预张拉光纤光栅大标距应变传感器监测结果与应变、温度具有很好的线性关系，可以准确测量梯度应变场的大标距平均应变。研制开发的串联微弹簧机敏传感机构的光纤光栅位移传感器，通过增敏途径，实现了0.01mm的位移分辨率，实现了位移与温度的同时测量。结构动位移监测对比试验表明，光纤光栅位移传感器能够精确测量动位移反应。　　其次，设计、制作和完成了钢筋混凝土二层框架模型静力Pushover的受拉钢筋应变、压区混凝土应变以及热点部位的裂纹宽度扩展全过程的光纤光栅监测试验。试验结果表明：光纤光栅传感器可以准确监测混凝土受力筋的应变发展变化；大标距的光纤光栅传感器可以对混凝土表面的应变进行有效监测；在pushover试验过程中，光纤光栅应变传感器可以准确地监测到拉区混凝土的非线性发展以及受拉钢筋应变的非线性发展规律，从而实现对框架结构进入屈服状态的监测。准确地监测了框架由弹性阶段进入屈服阶段的全过程以及热点局部裂纹宽度发展过程。　　第三，设计、制作和完成了导管架式海洋平台结构的大型管节点复杂应力状态监测试验。通过T型管节点有限元数值模拟分析，揭示了T型管节点热点复杂应力分布状况，提出了光纤光栅传感器测点布设原则和方案，实现了T型管节点热点平面应变状态及应变梯度分布的光纤光栅监测，提出了光纤光栅应变峰值修正方法。研究结果表明：单根光纤光栅传感器经过应变峰值修正，可以测量模型节点的热点应变。静载试验与冰荷载模拟动载试验结果表明：光纤光栅传感器可以准确监测节点模型支管轴力、热点应变与局部应变时程等局部应变响应。　　第四，设计并实现了海洋平台结构关键构件局部应力的大规模光纤光栅网络系统，并具体应用到了渤海CB32A海洋平台的健康监测系统中。提出了适用于海洋平台恶劣服役环境的光纤光栅传感器布设、保护、集成与防腐工艺；在渤海CB32A海洋平台施工制造阶段，提出了根据平台结构热点应力分析确定监测测点的原则和方法，成功布设了259个光纤光栅应变与温度传感器。结构健康监测系统已经采集获得了渤海CB32A平台自2003年7月施工完毕、经历平台运输安装一直到目前平台运营的各阶段平台局部测点应力与环境温度变化的宝贵历史数据。前期局部应力静态结果分析与服役期间动、静态分析表明：各局部测点在风、浪、流联合作用以及船舶冲击荷载作用下的应力状态未见异常。　　第五，研究、设计和实现了大型桥梁结构健康监测的大规模光纤光栅传感网络系统，并具体应用到了哈尔滨四方台大桥和山东滨州黄河公路大桥。提出了大规模光纤光栅传感网络的测点布设和网络设计、网络光损控制方法以及网络布设和数据传输技术；设计并实现了哈尔滨四方台大桥离线光纤光栅监测传感系统与山东滨州黄河公路大桥实时在线的光纤光栅监测系统。两座大型桥梁成桥荷载试验、运营阶段的关键构件局部应力监测结果表明：光纤光栅传感器可以精确测量大桥测点局部应力、应变，监测结果可以很好地用于评价桥梁结构局部应变所反映的健康状态。
作者：	赵雪峰
专业：	力学、工程力学
导师：	欧进萍
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文