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基于光纤光栅传感原理的桥梁索力测试方法研究与应用

李盛  
【摘要】: 近些年来,由光纤光栅构成的传感网络已经应用于许多大型结构的安全监测。大跨桥梁结构健康监测是应用光纤光栅传感网络最活跃的领域。光纤光栅传感网络系统埋入结构中可形成智能结构。光纤光栅传感器的精度非常高,具有很好的动态响应特性,可用于应力、应变、温度、振动等多种参数的测量,是智能材料系统和结构中最具应用前景的光纤传感器之一。大跨桥梁结构中,斜拉索的索力监测一直是桥梁结构健康监测系统的重要组成部分;而广泛采用的预应力混凝土类桥梁结构中,目前还无法实现对预应力索受力的直接监测。了解结构施工、营运过程中缆索内部钢丝受力状况及预应力体系是否安全,可靠一直是设计、施工和科研部门所关注的课题。 光纤Bragg光栅(FBG)传感器除具有普通光纤传感器重量轻,耐腐蚀,抗电磁干扰,使用安全可靠等优点外,还具有探头尺寸小,波长调制,抗干扰能力强,集传感与传输于一体,具有较强的复用能力,易于构成传感网络,测量对象广泛,易于实现多参数同步传感测量等独特优点。对于索力实时监测国内外虽然有诸多研究,但总的来说还没有解决其根本技术难点,少有实用报道,尤其对处于高应力工作状态下的桥梁预应力钢束,体外索及缆索钢丝应变均还无法开展直接监测。为进一步发挥FBG传感技术的优势特点,研究基于FBG传感原理(以下均将“基于FBG传感原理”简称为“基于FBG”)的缆索监测新技术,完成基于FBG的预应力损失监测,实现基于FBG的索内钢丝应力值及分布状态监测,寻找从连续采集的索力数据中有效分析提取有意义监测信息的数据处理方法,本文进行了如下几个方面的研究工作: (一)既有基于FBG的桥梁索力测试方法比较研究 1.指出了以纤维增强材料为封装体的智能筋目前还缺乏工程实例支撑的应用现状。介绍了更为成熟的基于频率法,压力传感原理,差动传感原理的光纤光栅索力传感监测系统的技术特点,测试原理及在代表性工程实例中的应用情况。 2.从工程应用的角度,就适用桥型、单点费用、测量方式、温度补偿、更换操作及测试信号几个指标对既有基于FBG传感原理的索力监测方法进行了归纳对比。基于提出的各类光纤光栅索力传感器比较指标,使用模糊一致矩阵,结合具体工程,提出了一种更为客观的传感器选型方法。 (二)基于FBG的预应力损失监测研究 1.分析了基于FBG的预应力损失监测技术难点,提出了高应力工作状态的监测策略,及适用于新建桥梁及既有旧桥加固时对于预应力索的监测思路。 2.设计了适用于新建桥梁预应力监测用FBG传感器的原型,通过试验分析验证了设计思路的可行性,并指出了实际应用中还应深入考虑的相关问题。 3.通过一具体桥梁体外索加固监测实例,给出了基于FBG对体外索施工及运营阶段预应力值可采取的监测方式。 (三)基于FBG的智能斜拉索结构研究 1.结合平行钢丝斜拉索的生产工艺流程及平行钢丝模型张拉试验得到的相关结论,设计了智能斜拉索结构的组成方案。 2.针对斜拉索的高应力工作环境,分析了对于传感器可采取的FBG预松弛方法。开发了一种能良好传递受力,测试斜拉索钢丝应变的微型应变传感器。通过对高应力工作状态下应变传感器的工作条件进行模型等效,解决了其温度补偿问题。 3.针对平行钢丝斜拉索的生产工艺特点,分析了智能斜拉索传感器的保护措施,可能引起失效的原因及避免对策。 (四)基于FBG索力测试方法的索内断丝监测研究 1.说明了斜拉索断丝的危害性,由某一数值算例分析了斜拉索不同断丝方式,断丝程度下结构线型,索力及应力的响应规律。比较了既有斜拉索内断丝监测的手段,方法及特点。 2.提出了基于FBG索力测试方法的断丝监测策略。联合斜拉索的整体模型以及钢丝为单元的局部模型,构建了对应于部分断丝模式的以斜拉索索力值(平均应力),智能斜拉索采集钢丝应力值为输入参量的模式识别样本库。基于BP的模式识别方法验证了提出的监测策略能够实现断丝区域定位及2%断丝程度内的监测要求,且在小噪声干扰下识别方法仍能发挥一定作用。 (五)基于EMD法的索力数据趋势提取研究 指出了可利用EMD法对连续采集的索力监测数据进行基于IMF分量的平均趋势及高幅值脉冲信号的提取分离。


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