基于錨固區(qū)預(yù)植FBG應(yīng)變傳感器的斜拉索索力監(jiān)測技術(shù)研究.pdf

1、斜拉橋具有跨越能力強(qiáng)、線型簡潔美觀、投資經(jīng)濟(jì)等諸多優(yōu)點(diǎn)，是大跨度橋梁的最主要橋型。斜拉索作為斜拉橋的主要受力和傳力構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)受力易受橋梁整體應(yīng)力分布狀態(tài)及自身結(jié)構(gòu)健康狀況的影響。纜索索力作為反映纜索運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)，通過對鋼纜索索力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，可幫助獲知斜拉橋的結(jié)構(gòu)力學(xué)分布特性，為評價橋梁運(yùn)行狀況提供數(shù)據(jù)支撐，而且能夠幫助及時掌握纜索本身的衰退、失效情況，指導(dǎo)橋梁的后期維護(hù)，具有重要意義。因此對斜拉索索力進(jìn)行長期在線監(jiān)測，是橋梁工

2、程界的一項重要且迫切渴望解決的工作。
　　由于斜拉索特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與惡劣的工作環(huán)境，要真正實(shí)現(xiàn)其索力的長期、穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠測量，其難度非常大；而目前國內(nèi)外的各種傳感方案都存在各自的局限，還沒有一種公認(rèn)的理想手段。因此，尋求新的技術(shù)、突破現(xiàn)有傳感方案的局限，是橋梁監(jiān)測工程師們一直追求的目標(biāo)。將光纖傳感器植入纜索，將纜索與傳感器融為一體、成為具有自感知能力的智能纜索技術(shù)，代表著斜拉索索力監(jiān)測的發(fā)展方向。然而其在應(yīng)變傳遞方式與超大應(yīng)變

3、測量、以及在纜索惡劣制造環(huán)境下的傳感器成活率等技術(shù)方面仍存在一定局限性，因此必須對智能纜索進(jìn)行更加深入的研究，以期通過理論研究尋求更加合理的應(yīng)變傳遞方式、從技術(shù)上突破超大應(yīng)變測量以及精度的限制、從工程上大幅提升傳感器植入的成活率。
　　鑒于此，課題依托國家科技支撐計劃―橋梁用智能型纜索研究及產(chǎn)業(yè)化‖（2007BAE15B04）支持，通過對纜索結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，提出了一種全新的基于纜索錨固區(qū)預(yù)植FBG應(yīng)變傳感器的索力測量方法。主要完成

4、了以下幾個方面的研究工作：
　　建立了纜索錨固區(qū)的三維全場有限元分析模型，對錨固區(qū)全場應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了初步探索。以纜索錨固區(qū)軸心單根鋼絲及包裹錨固料為分析基元，由彈性力學(xué)控制方程出發(fā)，分析了錨固料握裹作用對鋼絲軸向應(yīng)力分布特性的影響，推導(dǎo)得出了鋼絲隨錨固深度變化的應(yīng)力分布公式，為從理論尋求更加合理的應(yīng)變傳遞方式、解決超大應(yīng)變測量的限制問題，提供了基本理論依據(jù)。
　　為了獲得纜索錨固區(qū)的最佳應(yīng)力傳感效果，通過對錨固區(qū)內(nèi)部界面

5、力學(xué)特性、纜索錨頭結(jié)構(gòu)件特點(diǎn)及成錨工藝的分析，結(jié)合光纖光柵應(yīng)變傳感器的性能特點(diǎn)，提出了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料條狀結(jié)構(gòu)的光纖光柵保護(hù)方案、以及纜索錨固區(qū)內(nèi)的傳感器預(yù)植方案，并利用縮比模型驗證了保護(hù)方案與預(yù)植方案的可行性，為從工程上大幅提升傳感器植入的成活率奠定了基礎(chǔ)。
　　為了研究光纖光柵保護(hù)與預(yù)植方案對光纖光柵應(yīng)變傳感的精度影響，將整體非均勻光柵簡化為多個級聯(lián)均勻光柵，推導(dǎo)了線性非均勻應(yīng)變作用下的FBG反射光譜方程，仿真分析了三種不同

6、非均勻應(yīng)變對FBG輸出光譜展寬、裂變、移位的影響，揭示了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料條狀結(jié)構(gòu)的光纖光柵保護(hù)方案的對其測量精度的影響規(guī)律。
　　為了調(diào)和光纖光柵的植入保護(hù)與測量精度之間的矛盾，提出了光纖光柵傳感器的二級保護(hù)結(jié)構(gòu)方案，開發(fā)制作了傳感器樣品、設(shè)計了性能測試評價方法，通過力學(xué)性能測試試驗與熱穩(wěn)定性測試試驗，對其應(yīng)變傳感性能、傳感器剛度與熱穩(wěn)定性等性能進(jìn)行了驗證。
　　為了推進(jìn)此方案的工程化，在纜索實(shí)際制作過程中將六支碳纖維增強(qiáng)