光纤光栅智能材料、结构的研究与应用

论文摘要

智能材料是一个具有感知、驱动和控制等功能的智能化的材料系统。智能材料代表了材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向，成为了科学界研究的热点。结构健康监测是土木界亟待解决的重大理论与现实问题，结构健康监测的实现对于保障重大土木工程如桥梁、超高层建筑、大跨空间结构、大型水坝、核电站以及输油、供水、供气等管网系统等的结构安全具有重大的现实意义。智能材料应用于结构健康监测的研究，是21世纪具有挑战性的课题。利用智能材料与结构技术解决重大土木工程结构在整个服役期内的健康监测和安全评估问题，是一个全球性的研究热点，具有重大的经济价值和社会意义。光纤光栅智能材料是近年发展起来的先进传感材料，它有效克服了当前常规传感系统在长期稳定性、耐久性和分布范围方面存在的不足，最有希望满足现代工程结构监测的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求，具有传统技术无法比拟的优势。研究开发在长期稳定性能上满足工程要求的新型光纤光栅智能材料是从根本上实现结构健康监测的核心工作之一。本论文在国家自然科学基金、国家863计划和湖北省重点攻关项目的支持下，在导师的悉心指导下，从光纤光栅智能材料的传感机理出发，研究了大型土木工程结构健康监测系统的构成、功能、监测内容、手段及实现，在试验的基础上研制了光纤光栅锚索测力传感器，并将之成功应用于武汉晴川大桥健康监测系统，监测结果与理论计算基本吻合。本文接着研究并总结了传感器在大型土木工程结构健康监测中的优化布点方法、健康状况识别准则以及现场监测数据的采集及后处理方法，对大型土木工程健康状况监测智能化、网络化、系统化的实现具有重要意义。本文最后结合不同类型(在建、已建、加固)重大土木工程健康监测的试验和应用，从材料、构件、结构等方面探讨了用于重大工程结构的光纤光栅传感器的制备、封装、埋入、粘接、安装保护工艺等技术以及光纤光栅传感网络设计技术和系统集成技术，部分监测试验结果并与常规监测结果进行了对比分析，最终实现了在重大工程建设中的应用。本论文的多项研究成果通过相关的成果鉴定，并已在多个重大工程项目上获得成功应用，成为国家科技进步二等奖的部分内容。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 光纤光栅智能材料与大型土木结构健康监测概述
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 智能材料与结构健康监测的概念与特点
• 1.1.2.1 智能材料
• 1.1.2.2 智能材料与结构
• 1.1.2.3 结构健康监测
• 1.1.3 国内外研究现状
• 1.2 智能材料与元件概述
• 1.2.1 光纤传感器
• 1.2.2 其它传感材料和元件
• 1.2.3 各类典型传感材料和元件比较
• 1.3 光纤光栅传感技术
• 1.3.1 光纤光栅传感原理
• 1.3.2 光纤光栅传感技术研究现状
• 1.3.2.1 光纤光栅传感器应用现状
• 1.3.2.2 光纤光栅传感技术研究现状
• 1.4 本文主要内容
• 第2章 光纤光栅智能材料的传感机理
• 2.1 光纤光栅基本理论
• 2.1.1 耦合模理论
• 2.1.2 均匀Bragg光栅的理论模型
• 2.2 光纤光栅传感机理
• 2.2.1 应变传感模型
• 2.2.1.1 各向同性介质中虎克定理的一般形式
• 2.2.1.2 均匀轴向应力作用下光纤光栅传感模型
• 2.2.2 温度模型
• 2.2.3 应变—温度耦合模型
• 2.3 光纤光栅解调技术
• 2.3.1 非平衡Mach-Zehnder（M-Z）干涉检测
• 2.3.2 可调谐光纤Fabry-Perot（F-P）滤波法
• 2.3.3 匹配光纤Bragg光栅滤波解调
• 2.4 本章小结
• 第3章 大型土木工程SHM系统的研究
• 3.1 SHM系统构成和各子系统功能
• 3.2 大型土木工程SHM系统传感特性的实现
• 3.2.1 大型土木工程SHM系统监测参数的确定
• 3.2.2 光纤光栅测力传感器的研制
• 3.2.2.1 光纤光栅测力传感器在实验室的研制
• 3.2.2.2 光纤光栅测力传感器的传感原理
• 3.2.2.3 光纤光栅锚索测力传感器的实验测试与参数标定
• 3.2.3 传感特性的实现
• 3.3 大型土木SHM系统传输特性的实现
• 3.4 大型土木SHM系统的健康状况智能诊断的实现
• 3.4.1 换索阶段系杆索力的监测结果与分析
• 3.4.1.1 有限元理论分析
• 3.4.1.2 换索阶段实测系杆索力简要分析
• 3.4.2 系杆更换后使用阶段索力的监测结果与分析
• 3.4.2.1 一天内的监测结果分析
• 3.4.2.2 一个月内的监测结果分析
• 3.4.2.3 一年内的监测结果分析
• 3.4.3 系杆子系统健康状况智能诊断的实现
• 3.5 本章小结
• 第4章 大型土木工程健康状况自诊断的实现
• 4.1 传感器在大型土木工程结构上优化布点方法研究
• 4.1.1 传感器优化布置准则与优化方法
• 4.1.2 传感器优化布置原则
• 4.2 大型土木工程健康状况识别准则
• 4.2.1 大型型土木工程结构健康状况识别的理论方法简介
• 4.2.2 大型土木工程结构健康状况识别方法的实用准则
• 4.2.2.1.大型土木工程SHM的参数确定
• 4.2.2.2.大型土木工程SHM的单个参数的评估
• 4.2.2.3.大型土木工程结构健康状况的整体评估
• 4.3 大型土木工程SHM的现场数据后处理方法研究
• 4.4 大型土木工程健康状况监测智能化、网络化、系统化的实现
• 4.5 本章小结
• 第5章 光纤光栅智能监测系统在大型土木结构中的应用研究
• 5.1 监测系统在大跨度框—筒—索膜结构体系中的应用
• 5.1.1 武汉体育中心体育场工程概况
• 5.1.2 武汉体育中心长期健康监测的目的和意义
• 5.1.3 健康监测系统设计
• 5.1.3.1 设计原则
• 5.1.3.2 可靠性和易维护性的技术保障措施
• 5.1.3.3 应变监测
• 5.1.3.4 监测系统软件及功能
• 5.1.4 情况说明
• 5.2 监测系统在建筑结构加固工程检测中的应用
• 5.2.1 加固试件的制作
• 5.2.2 试验结果与分析
• 5.2.3 结论及分析
• 5.3 监测系统在大跨混凝土薄腹梁中的应用
• 5.3.1 中南财经政法大学礼堂监测工程简介
• 5.3.2 检测方案
• 5.3.2.1 检测目的
• 5.3.2.2 检测依据
• 5.3.2.3 检测设备与仪器
• 5.3.2.4 检测参数及布点
• 5.3.2.5 加载程序
• 5.3.3 测试结果与分析
• 5.4 监测系统在钢框架—混凝土墙混合结构试验中的应用
• 5.4.1 钢框架—混凝土墙混合结构试验背景
• 5.4.2 试件设计
• 5.4.3 试验简介
• 5.4.4 加载过程中的实测结果与分析
• 5.5 监测系统在大跨钢吊车梁中的应用
• 5.5.1 测点布置
• 5.5.2 测试方案
• 5.5.3.测试结果与分析
• 5.5.3.1 测试工况
• 5.5.3.2.测试结果与分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 全文总结
• 参考文献
• 公开发表的学术论文
• 致谢