基于光纖光柵傳感原理的橋梁索力測試方法研究與應(yīng)用.pdf

1、近些年來，由光纖光柵構(gòu)成的傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)應(yīng)用于許多大型結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測。大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是應(yīng)用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)最活躍的領(lǐng)域。光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)埋入結(jié)構(gòu)中可形成智能結(jié)構(gòu)。光纖光柵傳感器的精度非常高，具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，可用于應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、振動(dòng)等多種參數(shù)的測量，是智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)中最具應(yīng)用前景的光纖傳感器之一。大跨橋梁結(jié)構(gòu)中，斜拉索的索力監(jiān)測一直是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分；而廣泛采用的預(yù)應(yīng)力混凝土類橋梁結(jié)構(gòu)中，目前還無

2、法實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力索受力的直接監(jiān)測。了解結(jié)構(gòu)施工、營運(yùn)過程中纜索內(nèi)部鋼絲受力狀況及預(yù)應(yīng)力體系是否安全，可靠一直是設(shè)計(jì)、施工和科研部門所關(guān)注的課題。 光纖Bragg光柵（FBG）傳感器除具有普通光纖傳感器重量輕，耐腐蝕，抗電磁干擾，使用安全可靠等優(yōu)點(diǎn)外，還具有探頭尺寸小，波長調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，集傳感與傳輸于一體，具有較強(qiáng)的復(fù)用能力，易于構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)，測量對(duì)象廣泛，易于實(shí)現(xiàn)多參數(shù)同步傳感測量等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于索力實(shí)時(shí)監(jiān)測國內(nèi)外雖然有諸多

3、研究，但總的來說還沒有解決其根本技術(shù)難點(diǎn)，少有實(shí)用報(bào)道，尤其對(duì)處于高應(yīng)力工作狀態(tài)下的橋梁預(yù)應(yīng)力鋼束，體外索及纜索鋼絲應(yīng)變均還無法開展直接監(jiān)測。為進(jìn)一步發(fā)揮FBG傳感技術(shù)的優(yōu)勢特點(diǎn)，研究基于FBG傳感原理（以下均將“基于FBG傳感原理”簡稱為“基于FBG”）的纜索監(jiān)測新技術(shù)，完成基于FBG的預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)基于FBG的索內(nèi)鋼絲應(yīng)力值及分布狀態(tài)監(jiān)測，尋找從連續(xù)采集的索力數(shù)據(jù)中有效分析提取有意義監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)處理方法，本文進(jìn)行了如下幾個(gè)方

4、面的研究工作： （一）既有基于FBG的橋梁索力測試方法比較研究 1．指出了以纖維增強(qiáng)材料為封裝體的智能筋目前還缺乏工程實(shí)例支撐的應(yīng)用現(xiàn)狀。介紹了更為成熟的基于頻率法，壓力傳感原理，差動(dòng)傳感原理的光纖光柵索力傳感監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，測試原理及在代表性工程實(shí)例中的應(yīng)用情況。 2．從工程應(yīng)用的角度，就適用橋型、單點(diǎn)費(fèi)用、測量方式、溫度補(bǔ)償、更換操作及測試信號(hào)幾個(gè)指標(biāo)對(duì)既有基于FBG傳感原理的索力監(jiān)測方法進(jìn)行了歸納對(duì)比。

5、基于提出的各類光纖光柵索力傳感器比較指標(biāo)，使用模糊一致矩陣，結(jié)合具體工程，提出了一種更為客觀的傳感器選型方法。 （二）基于FBG的預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測研究 1．分析了基于FBG的預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測技術(shù)難點(diǎn)，提出了高應(yīng)力工作狀態(tài)的監(jiān)測策略，及適用于新建橋梁及既有舊橋加固時(shí)對(duì)于預(yù)應(yīng)力索的監(jiān)測思路。 2．設(shè)計(jì)了適用于新建橋梁預(yù)應(yīng)力監(jiān)測用FBG傳感器的原型，通過試驗(yàn)分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路的可行性，并指出了實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)深入考慮的相關(guān)問

6、題。 3．通過一具體橋梁體外索加固監(jiān)測實(shí)例，給出了基于FBG對(duì)體外索施工及運(yùn)營階段預(yù)應(yīng)力值可采取的監(jiān)測方式。 （三）基于FBG的智能斜拉索結(jié)構(gòu)研究 1．結(jié)合平行鋼絲斜拉索的生產(chǎn)工藝流程及平行鋼絲模型張拉試驗(yàn)得到的相關(guān)結(jié)論，設(shè)計(jì)了智能斜拉索結(jié)構(gòu)的組成方案。 2．針對(duì)斜拉索的高應(yīng)力工作環(huán)境，分析了對(duì)于傳感器可采取的FBG預(yù)松弛方法。開發(fā)了一種能良好傳遞受力，測試斜拉索鋼絲應(yīng)變的微型應(yīng)變傳感器。通過對(duì)高應(yīng)力工作

7、狀態(tài)下應(yīng)變傳感器的工作條件進(jìn)行模型等效，解決了其溫度補(bǔ)償問題。 3．針對(duì)平行鋼絲斜拉索的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，分析了智能斜拉索傳感器的保護(hù)措施，可能引起失效的原因及避免對(duì)策。 （四）基于FBG索力測試方法的索內(nèi)斷絲監(jiān)測研究 1．說明了斜拉索斷絲的危害性，由某一數(shù)值算例分析了斜拉索不同斷絲方式，斷絲程度下結(jié)構(gòu)線型，索力及應(yīng)力的響應(yīng)規(guī)律。比較了既有斜拉索內(nèi)斷絲監(jiān)測的手段，方法及特點(diǎn)。 2．提出了基于FBG索力測試方法

8、的斷絲監(jiān)測策略。聯(lián)合斜拉索的整體模型以及鋼絲為單元的局部模型，構(gòu)建了對(duì)應(yīng)于部分?jǐn)嘟z模式的以斜拉索索力值（平均應(yīng)力），智能斜拉索采集鋼絲應(yīng)力值為輸入?yún)⒘康哪Ｊ阶R(shí)別樣本庫?；贐P的模式識(shí)別方法驗(yàn)證了提出的監(jiān)測策略能夠?qū)崿F(xiàn)斷絲區(qū)域定位及2%斷絲程度內(nèi)的監(jiān)測要求，且在小噪聲干擾下識(shí)別方法仍能發(fā)揮一定作用。 （五）基于EMD法的索力數(shù)據(jù)趨勢提取研究 指出了可利用EMD法對(duì)連續(xù)采集的索力監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行基于IMF分量的平均趨勢及高幅值