钢筋腐蚀光纤布拉格光栅（FBG）传感器研究及应用

论文摘要

钢筋混凝土结构耐久性是结构工程领域广为关注的问题,其中钢筋腐蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的重要因素之一。钢筋腐蚀将导致结构混凝土保护层开裂,甚至剥落,同时,由于钢筋和混凝土之间粘结性能的降低及钢筋截面的减少会导致结构的承载力下降,最终导致结构失效。光纤布拉格光栅(FBG)是一种新型智能材料,具有耐腐蚀、体积小、重量轻、易埋入、结构简单及信号传输便捷等优点。本文对钢筋腐蚀光纤布拉格光栅(FBG)传感器的设计、应用及分析做了部分研究工作。本文对钢筋腐蚀过程进行了详细分析,包括钢筋腐蚀的原因、钢筋腐蚀的基本过程及腐蚀后体积的变化。对研究中所涉及的半电池电位法和光栅布拉格光栅传感基本理论做了阐述。根据钢筋腐蚀体积膨胀,提出了两种光纤布拉格光栅钢筋腐蚀传感器设计方案,针对每种方案进行了封装试验。并将试验结果与半电池电位法测试结果进行了对比分析,最后选定双筋传感器的改进方案作为试验的最终方案。在实验室研究的基础上,将所设计的钢筋腐蚀光纤布拉格光栅传感器应用于实际工程,针对现场情况设计了传感器埋设方案,并进行了测试。另外,对于实验室中的标定试验进行了详细的研究,并应用有限元分析软件ANSYS进行了传感器的模拟,进而定量分析实际工程中钢筋腐蚀情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 钢筋腐蚀的影响
• 1.2 研究钢筋腐蚀的意义
• 1.3 国内外钢筋腐蚀检测研究现状
• 1.3.1 电化学检测方式
• 1.3.2 光纤及光纤光栅检测方式
• 1.3.3 其它检测方式
• 1.4 本文研究内容和目的
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 钢筋腐蚀过程分析
• 2.1 钢筋腐蚀的原因
• 2.1.1 钢筋表面钝化膜的形成
• 2.1.2 碳酸化诱发钢筋腐蚀
• 2.1.3 氯化物侵蚀诱发钢筋腐蚀
• 2.2 钢筋腐蚀的电化学过程
• 2.2.1 腐蚀微观电池中的阴极反应与阳极反应
• 2.2.2 参与腐蚀反应的原电池类型
• 2.3 钢筋腐蚀过程分析
• 2.3.1 腐蚀初始阶段（钢筋自由膨胀阶段）
• 2.3.2 受约束膨胀至混凝土开裂阶段
• 2.3.3 裂缝发展至破坏阶段
• 2.4 钢筋腐蚀后体积膨胀
• 2.4.1 腐蚀体积膨胀率
• 2.4.2 均匀腐蚀钢筋自由膨胀体积变化
• 2.5 本章小结
• 第三章 半电池电位法及光栅传感原理
• 3.1 半电池电位法
• 3.1.1 半电池电位法检测原理
• 3.1.2 半电池电位法检测方法
• 3.1.3 钢筋腐蚀程度检测标准
• 3.1.4 半电池电位法检测要点
• 3.1.5 半电池电位图
• 3.1.6 用两个标准半电池测定比较电位
• 3.2 快速腐蚀实验基本方法
• 3.3 腐蚀率测定方法
• 3.4 光纤布拉格光栅传感原理
• 3.4.1 光纤光栅和布拉格反射
• 3.4.2 光纤光栅中心波长的检测
• 3.4.3 光纤光栅中心波长与应变和温度的关系
• 3.4.4 光纤光栅温度补偿
• 3.5 本章小结
• 第四章 钢筋腐蚀光纤布拉格光栅传感器设计与试验
• 4.1 试验仪器、材料
• 4.2 钢筋腐蚀监测原理
• 4.3 传感器设计与试验
• 4.3.1 空气环境试验及分析
• 4.3.2 双筋腐蚀光栅传感器及封装试验
• 4.3.3 凹槽式光栅腐蚀传感器及封装试验
• 4.3.4 双筋腐蚀光栅传感器改进方案
• 4.4 本章小结
• 第五章 工程应用与传感器分析及模拟
• 5.1 工程概况
• 5.2 光纤光栅腐蚀传感器布设
• 5.3 标定试验监测结果
• 5.4 传感器分析及模拟
• 5.4.1 监测结果与理论计算结果的比较
• 5.4.2 传感器有限元模拟
• 5.5 现场监测结果分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 攻读硕士学位期间参与的项目