详情

原文传递基于锚固区预植FBG应变传感器的斜拉索索力监测技术研究

论文题名：	基于锚固区预植FBG应变传感器的斜拉索索力监测技术研究
关键词：	斜拉桥;索力监测;锚固区;应力自衰减;FBG应变传感器
摘要：	斜拉桥具有跨越能力强、线型简洁美观、投资经济等诸多优点，是大跨度桥梁的最主要桥型。斜拉索作为斜拉桥的主要受力和传力构件，其结构受力易受桥梁整体应力分布状态及自身结构健康状况的影响。缆索索力作为反映缆索运行状态的重要指标，通过对钢缆索索力进行实时监测，可帮助获知斜拉桥的结构力学分布特性，为评价桥梁运行状况提供数据支撑，而且能够帮助及时掌握缆索本身的衰退、失效情况，指导桥梁的后期维护，具有重要意义。因此对斜拉索索力进行长期在线监测，是桥梁工程界的一项重要且迫切渴望解决的工作。　　由于斜拉索特殊的结构特点与恶劣的工作环境，要真正实现其索力的长期、稳定、准确、可靠测量，其难度非常大；而目前国内外的各种传感方案都存在各自的局限，还没有一种公认的理想手段。因此，寻求新的技术、突破现有传感方案的局限，是桥梁监测工程师们一直追求的目标。将光纤传感器植入缆索，将缆索与传感器融为一体、成为具有自感知能力的智能缆索技术，代表着斜拉索索力监测的发展方向。然而其在应变传递方式与超大应变测量、以及在缆索恶劣制造环境下的传感器成活率等技术方面仍存在一定局限性，因此必须对智能缆索进行更加深入的研究，以期通过理论研究寻求更加合理的应变传递方式、从技术上突破超大应变测量以及精度的限制、从工程上大幅提升传感器植入的成活率。　　鉴于此，课题依托国家科技支撑计划―桥梁用智能型缆索研究及产业化‖（2007BAE15B04）支持，通过对缆索结构的力学分析，提出了一种全新的基于缆索锚固区预植FBG应变传感器的索力测量方法。主要完成了以下几个方面的研究工作：　　建立了缆索锚固区的三维全场有限元分析模型，对锚固区全场应力分布规律进行了初步探索。以缆索锚固区轴心单根钢丝及包裹锚固料为分析基元，由弹性力学控制方程出发，分析了锚固料握裹作用对钢丝轴向应力分布特性的影响，推导得出了钢丝随锚固深度变化的应力分布公式，为从理论寻求更加合理的应变传递方式、解决超大应变测量的限制问题，提供了基本理论依据。　　为了获得缆索锚固区的最佳应力传感效果，通过对锚固区内部界面力学特性、缆索锚头结构件特点及成锚工艺的分析，结合光纤光栅应变传感器的性能特点，提出了碳纤维增强复合材料条状结构的光纤光栅保护方案、以及缆索锚固区内的传感器预植方案，并利用缩比模型验证了保护方案与预植方案的可行性，为从工程上大幅提升传感器植入的成活率奠定了基础。　　为了研究光纤光栅保护与预植方案对光纤光栅应变传感的精度影响，将整体非均匀光栅简化为多个级联均匀光栅，推导了线性非均匀应变作用下的FBG反射光谱方程，仿真分析了三种不同非均匀应变对FBG输出光谱展宽、裂变、移位的影响，揭示了碳纤维增强复合材料条状结构的光纤光栅保护方案的对其测量精度的影响规律。　　为了调和光纤光栅的植入保护与测量精度之间的矛盾，提出了光纤光栅传感器的二级保护结构方案，开发制作了传感器样品、设计了性能测试评价方法，通过力学性能测试试验与热稳定性测试试验，对其应变传感性能、传感器刚度与热稳定性等性能进行了验证。　　为了推进此方案的工程化，在缆索实际制作过程中将六支碳纤维增强复合材料光纤光栅应变传感器预植入缆索两端锚固区内，获得了智能缆索实物原型，并通过对缆索制过程的参数监控，证明了光纤光栅的保护方案、植入工艺的可行性与有效性；针对实物原型智能缆索，设计了力学性能试验方案，通过试验不仅获得了预期的缆索拉伸试验数据，更是首次获得了锚固区内轴向、径向实际应变分布趋势，既证实了所建立的缆索锚固区内应变分布规律的理论正确性，又证实了光纤光栅预植式智能缆索传感方案的合理性与可行性。
作者：	吴俊
专业：	光学工程
导师：	陈伟民
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文