基于錨固區(qū)預植FBG應變傳感器的斜拉索索力監(jiān)測技術研究.pdf

1、斜拉橋具有跨越能力強、線型簡潔美觀、投資經濟等諸多優(yōu)點，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件，其結構受力易受橋梁整體應力分布狀態(tài)及自身結構健康狀況的影響。纜索索力作為反映纜索運行狀態(tài)的重要指標，通過對鋼纜索索力進行實時監(jiān)測，可幫助獲知斜拉橋的結構力學分布特性，為評價橋梁運行狀況提供數據支撐，而且能夠幫助及時掌握纜索本身的衰退、失效情況，指導橋梁的后期維護，具有重要意義。因此對斜拉索索力進行長期在線監(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構特點與惡劣的工作環(huán)境，要真正實現其索力的長期、穩(wěn)定、準確、可靠測量，其難度非常大；而目前國內外的各種傳感方案都存在各自的局限，還沒有一種公認的理想手段。因此，尋求新的技術、突破現有傳感方案的局限，是橋梁監(jiān)測工程師們一直追求的目標。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，代表著斜拉索索力監(jiān)測的發(fā)展方向。然而其在應變傳遞方式與超大應變

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方面仍存在一定局限性，因此必須對智能纜索進行更加深入的研究，以期通過理論研究尋求更加合理的應變傳遞方式、從技術上突破超大應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業(yè)化‖（2007BAE15B04）支持，通過對纜索結構的力學分析，提出了一種全新的基于纜索錨固區(qū)預植FBG應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)全場應力分布規(guī)律進行了初步探索。以纜索錨固區(qū)軸心單根鋼絲及包裹錨固料為分析基元，由彈性力學控制方程出發(fā)，分析了錨固料握裹作用對鋼絲軸向應力分布特性的影響，推導得出了鋼絲隨錨固深度變化的應力分布公式，為從理論尋求更加合理的應變傳遞方式、解決超大應變測量的限制問題，提供了基本理論依據。
　　為了獲得纜索錨固區(qū)的最佳應力傳感效果，通過對錨固區(qū)內部界面

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

6、非均勻應變對FBG輸出光譜展寬、裂變、移位的影響，揭示了碳纖維增強復合材料條狀結構的光纖光柵保護方案的對其測量精度的影響規(guī)律。
　　為了調和光纖光柵的植入保護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結構方案，開發(fā)制作了傳感器樣品、設計了性能測試評價方法，通過力學性能測試試驗與熱穩(wěn)定性測試試驗，對其應變傳感性能、傳感器剛度與熱穩(wěn)定性等性能進行了驗證。
　　為了推進此方案的工程化，在纜索實際制作過程中將六支碳纖維增強