光纤光栅智能材料与桥梁健康监测系统研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.1.1 概况
• 1.1.2 研究的目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 桥梁结构健康监测理论及发展过程
• 1.2.2 桥梁健康监测与传感测试技术
• 1.2.3 智能材料与结构系统研究现状
• 1.3 智能材料与结构中的传感技术简介
• 1.3.1 光纤传感器
• 1.3.2 其它传感材料和元件
• 1.3.3 各类典型传感材料和元件比较
• 1.4 光纤光栅传感技术研究及应用现状
• 1.4.1 光纤光栅传感原理
• 1.4.2 光纤光栅传感技术研究及应用现状
• 1.5 本文主要内容
• 第2章 智能桥梁结构系统理论研究
• 2.1 智能桥梁结构系统概念
• 2.2 智能桥梁结构系统的组成
• 2.2.1 智能感知材料
• 2.2.2 智能驱动材料
• 2.2.3 智能器件
• 2.3 智能桥梁结构的信息处理
• 2.4 智能桥梁结构的特点和类型
• 2.4.1 智能桥梁结构系统的特点
• 2.4.2 智能桥梁结构系统的类型
• 2.5 智能桥梁结构的设计方法
• 2.5.1 传统桥梁结构设计方法
• 2.5.2 智能桥梁结构设计方法
• 2.6 本章小节
• 第3章 光纤光栅智能传感测试系统的研究
• 3.1 光纤光栅基本理论
• 3.1.1 耦合模理论
• 3.1.2 均匀Bragg光栅的理论模型
• 3.2 光纤光栅传感机理
• 3.2.1 应变传感模型
• 3.2.2 温度模型
• 3.2.3 应变—温度耦合模型
• 3.3 光纤光栅解调技术
• 3.3.1 非平衡Mach-Zehnder（M-Z）干涉检测
• 3.3.2 可调谐光纤Fabry-Perot（F-P）滤波法
• 3.3.3 匹配光纤Bragg光栅滤波解调
• 3.4 传感用光纤光栅的特点和制作方法
• 3.5 光纤光栅传感器长期可靠性分析
• 3.6 光纤光栅智能传感网络系统
• 3.6.1 光纤光栅传感网络系统的工作原理
• 3.6.2 光纤光栅传感网络系统的设计
• 3.7 本章小结
• 第4章 自感知大型桥梁健康监测技术研究
• 4.1 大型桥梁健康状况监测技术的特点
• 4.2 索类构件索力实时监测技术
• 4.2.1 传统的桥梁索力测试方法的局限
• 4.2.2 桥梁索力监测用光纤光栅测力计的研制
• 4.2.3 光纤光栅振动传感器的设计研究及应用
• 4.2.4 索力监测方法的比较
• 4.3 结构应变及温度长期监测技术
• 4.3.1 混凝土表面式光纤光栅应变传感器
• 4.3.2 光纤光栅温度传感器
• 4.4 桥梁重载车辆荷载监测识别技术
• 4.4.1 重载车辆对桥梁结构的影响
• 4.4.2 基于高速应变测试的重载车荷载谱监测识别技术
• 4.4.3 重载车荷载谱在桥梁结构评估中的应用
• 4.5 其他桥梁健康状况实时监测技术
• 4.5.1 位移变形在线实时监测技术
• 4.5.2 交通流量监测识别技术
• 4.5.3 环境气象条件监测
• 4.5.4 通过定期检测的必要信息补充
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于实时监测的特大斜拉桥健康状况评估
• 5.1 桥梁健康状况评估的相关规范及标准
• 5.2 特大斜拉桥结构有限元分析及预警阈值设定
• 5.3 基于实时监测信息的预警报警处理
• 5.4 基于桥梁长期健康状况监测的分级评估体系
• 5.5 特大斜拉桥综合评估体系及指标
• 5.6 本章小结
• 第6章 特大型斜拉桥健康状况测评系统应用实例
• 6.1 工程背景概况
• 6.2 健康监测系统设计主要内容
• 6.3 系统集成及软件主要界面
• 6.3.1 系统集成
• 6.3.2 系统总体软件界面
• 6.4 光纤光栅传感监测子系统
• 6.4.1 关键截面应变温度监测子系统
• 6.4.2 斜拉索索力监测子系统
• 6.4.3 重载车辆监测识别子系统
• 6.5 非光纤光栅传感技术监测子系统
• 6.5.1 位移变形监测
• 6.5.2 全面荷载信息监测子系统
• 6.6 状况评估系统及软件开发
• 6.6.1 武汉长江二桥分析评估子系统功能
• 6.6.2 智能报警模块功能
• 6.6.3 健康状态评估模块功能
• 6.6.4 趋势预测模块功能
• 6.6.5 桥梁基准状态确定策略
• 6.6.6 健康状态综合评估策略
• 6.7 结构可视化预案仿真分析
• 6.7.1 预案仿真的目标
• 6.7.2 不同交通流量下状况模拟
• 6.8 应用总结
• 6.8.1 项目总结和评价
• 6.8.2 后续改进
• 6.9 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 本文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及成果
• 致谢