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光纤光栅智能材料与桥梁健康监测系统研究

刘胜春  
【摘要】: 在科学技术和经济快速发展的推动下,我国城市及公路交通建设得到了飞速发展,在沿江沿海、西部山区及各大城市修建了大量的特大型桥梁。这些桥梁沟通南北、连结东西,成为我国众多城市及公路交通的枢纽和标志性建筑。随着这些桥梁使用时间的推移和超限运输的增加,特大桥梁事故的潜在危险和几率随之上升,并不时出现影响国计民生的严重桥梁事故。由此,桥梁管理部门和工程界提出了对特大桥进行健康监测和安全管理养护的课题,希望通过科技手段监测桥梁结构的关键参数,为桥梁的安全性判断提供依据,保障桥梁结构在安全运营的前提下延长其使用寿命,确保其社会经济效益的发挥。由于桥梁安全运营对社会及经济发展的作用至关重要,世界各发达国家纷纷采用高新技术解决桥梁安全运营保障的技术难题,桥梁健康监测系统的研究和开发应用成为了当前世界范围的研究热点,最近几年在很多国家得到了快速的发展。智能材料与结构系统的研究作为21世纪最具挑战性的课题之一,在军事和民用方面都具有重大的应用前景,利用智能材料与结构技术解决重大土木结构生命周期健康安全监测和状况评估问题,因其重大的社会意义和经济价值也成为了世界性的研究热点。目前,世界发达国家将基于电磁类的智能材料应用大型桥梁结构的减振抗震控制取得了大量成果,将光纤光栅智能材料应用于桥梁结构健康监测的研究也进行了一些尝试,主要成果集中为单项传感器的实验室研究试验。 当前,桥梁结构健康监测系统研究的关键和核心问题是桥梁关键信息的长期可靠采集。基于光纤光栅智能材料的监测系统由于本身具有长期可靠性的优点,逐渐成为构建桥梁长期健康监测系统的首选技术。由于特大型桥梁结构的空间分布广,需要测试的参数类型多,如何利用光纤光栅智能材料与结构技术实现大型桥梁结构健康监测所需各种类型参数的长期可靠采集,成为急需解决的关键技术难题。 本论文的研究立足于采用先进光纤光栅传感测试技术,根据智能材料与结构系统的理论和思想,构建长期可靠的特大型斜拉桥结构健康监测系统,通过长期结构信息的采集和连续测试以评估特大型桥梁的安全健康状况。在国家自然科学基金重点、国家863计划和湖北省重点攻关项目的支持下,以武汉长江二桥、武汉阳逻长江公路大桥和天兴洲公铁两用长江大桥的长期健康监测系统实施为工程背景,围绕智能材料与结构系统在桥梁健康监测中应用的基础理论、基本实验和工程实际开发,研究了光纤光栅智能材料应用于桥梁领域的相关技术,从桥梁结构受力和交通荷载监测等方面探讨了专用光纤光栅传感器测试系统的制备和传感网络系统集成技术。研究工作历时三年,多项研究成果通过湖北省科技厅的科技成果鉴定,填补了国内空白,达到国际先进水平。 本文主要内容包括以下方面: (1)对大型桥梁结构健康监测系统及其相关技术的发展进行回顾和总结,分析可资借鉴的经验教训,明确大型桥梁长期健康监测系统的基本构成和原理,以及存在的问题和亟待解决的关键技术; (2)就智能材料与结构系统及相关的传感测试技术,特别是光纤光栅传感测试技术在智能材料与结构中的研究现状和发展趋势进行概括和总结,探讨光纤光栅智能材料与结构的基本概念、构成方式,及其在桥梁健康监测中的应用原理,进而提出本课题的研究目标和任务; (3)根据大型斜拉桥健康监测系统的特点,利用光纤光栅传感测试技术及智能材料与结构的思想,解决斜拉索索力、关键结构部位应变、温度和重载车荷载实时监测难题,研究、设计并开发了相应测试系统; (4)根据大型斜拉桥长期健康监测系统所采集的结构受力、环境及交通荷载的实时信息,提出针对实时监测数据和结构计算仿真的健康状况评估系统,并设计了相应的评估指标体系; (5)将研究成果在国内率先应用于实际的大型桥梁健康监测系统,武汉长江二桥长期健康监测及数字化管养系统。应用结果表明,光纤光栅传感器及其监测系统能适应大型桥梁长期结构参数采集的需要,其测试精度、稳定性与耐久性满足实际工程的需要,基本实现了光纤光栅智能材料与结构在桥梁工程中的初步应用。


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