橡胶封装FBG沥青路面竖向应变传感器的开发与研究

论文摘要

随着我国公路交通的快速发展,公路路面面临着前所未有的考验,特别是占路面类型多数的沥青路面甚至在通车几年就出现了车辙、开裂、泛油、坑槽等早期损坏现象,给国民经济带来了巨大的损失。因此,如何预防沥青路面出现病害成为亟待解决的问题。其中一个切实可行的方法就是进行沥青路面监测,通过监测数据分析原因并进行质量评定,为路面养护和改进设计提供可靠的依据。鉴于光纤光栅在结构健康监测中应用的优越性,本文拟采用光纤光栅传感器对路面进行应变监测。但是传统的光纤光栅传感器存在模量大、尺寸大等缺点,直接拿来用于沥青路面的测试,不能反映沥青路面的真实应变。基于这种情况,本文研发了一种橡胶封装FBG竖向应变传感器用于测量沥青路面的竖向应变。首先,详细阐述橡胶封装FBG竖向应变传感器的设计思想;用力学的方法对传感器长度分析计算;采用有限元软件ABAQUS模拟传感器布设到沥青路面的情况,根据协调性原理,优化了橡胶和锚片的直径,并选择合适的灌浆材料。其次,详细介绍了橡胶封装FBG应变传感器的设计原理和制作工艺,并在此基础上探讨了两个光栅串的橡胶封装FBG分布式应变传感器的制作方法。再次,为了检验橡胶封装FBG应变传感器的线性度、重复性、灵敏度等传感性能,对其进行了标定试验;通过电镜扫描对传感器的微观结构进行深入研究。最后,将研发的橡胶封装FBG应变传感器埋设到混凝土柱中,研究其是否能实现结构的准确测量;埋设到沥青混凝土试件中,检验其实际应用性能。结果表明,橡胶封装FBG应变传感器的自身的传感性能良好,但是用于实际沥青混凝土路面的埋设工艺还有待进一步研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.1.1 沥青路面损伤监测的意义
• 1.1.2 光纤光栅传感器的优越性
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 国内外研究现状综述
• 1.3.1 传统传感器用于沥青路面监测的研究现状
• 1.3.2 光纤光栅传感器的国内外研究现状
• 1.3.3 光纤光栅应变传感器封装方法的研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 橡胶封装FBG应变传感器的设计及尺寸优化
• 2.1 橡胶封装FBG应变传感器的设计思路及测量原理
• 2.2 橡胶封装FBG应变传感器的力学计算
• 2.3 有限元建模及弹性层状理论
• 2.3.1 沥青路面弹性层状体系理论分析方法
• 2.3.2 弹性理论的基本方程
• 2.4 路面模型的建立及参数选定
• 2.5 沥青路面结构分析的有限元法
• 2.5.1 结构的离散化
• 2.5.2 单元的位移模式
• 2.5.3 单元的力学分析
• 2.5.4 计算等效节点力
• 2.5.5 整体分析
• 2.6 有限元结果分析
• 2.6.1 橡胶直径的优化
• 2.6.2 锚片直径的优化
• 2.6.3 橡胶与沥青路面粘结材料的选择
• 2.7 本章小结
• 第3章 橡胶封装FBG应变传感器的制作工艺
• 3.1 原材料及其性能
• 3.1.1 橡胶
• 3.1.2 光纤光栅
• 3.2 传感器的制作工艺研究
• 3.2.1 主要仪器设备
• 3.2.2 制作工艺
• 3.3 分布式传感器的制作工艺探讨
• 3.4 本章小结
• 第4章 橡胶封装FBG应变传感器的传感性能研究
• 4.1 橡胶封装FBG应变传感器的间接标定
• 4.1.1 试件的制作
• 4.1.2 试验装置
• 4.1.3 标定试验及结果
• 4.1.4 试验结果分析
• 4.1.5 间接标定试验的结论
• 4.2 间接标定试件内部结构分析
• 4.2.1 试件内部结构分析
• 4.2.2 电镜扫描试验
• 4.2.3 结果分析
• 4.3 橡胶封装FBG应变传感器的直接标定
• 4.3.1 试验过程
• 4.3.2 结果及其分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 橡胶封装FBG应变传感器的应用试验
• 5.1 混凝土试件的轴心受压监测
• 5.1.1 混凝土轴心受压试件的制作
• 5.1.2 试验方案
• 5.1.3 试验结果及分析
• 5.2 橡胶封装FBG应变传感器用于沥青混凝土的测试
• 5.2.1 试件的制作
• 5.2.2 试验过程及其结果
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢