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第175期 光纤光栅智慧筋索力监测研究进展及其工程应用

2023-2-22 09:43

【52监测网】第175期 光纤光栅智慧筋索力监测研究进展及其工程应用


52监测网专家报告分享-第175期

《光纤光栅智慧筋索力监测研究进展及其工程应用》
朱万旭 桂林理工大学土木与建筑工程学院教授
广西智慧结构材料工程研究中心主任

目录
一、工程背景
二、光纤光栅监测理论和优越性
三、各种解决方案
四、解决方案与试验验证
五、工程应用

内容介绍

一、工程背景

索结构是巨型望远镜、大型桥梁和体育场馆等重大工程常用结构形式;
拉索是生命线,其内力分布、可靠与否直接影响工程结构的正常使用。


相关政府部门和业主单位已高度重视索结构健康监测与科学管养维护。


所有150根边缘索索力采取磁通量传感器和光纤传感器组合监测方法


索结构健康监测与科学管养首先依赖于可靠的索力传感器,亟待研发!

二、光纤光栅监测理论和优越性

光纤光栅监测原理


智慧筋测量原理


光纤光栅传感器优点
➢ 灵敏度高
通过采取高频解调仪,可以动静态监测相结合,发现断丝等异常信号。
➢ 传输及熔接损耗小
传输损耗约0.25dB/km,熔接损耗约0.2dB/点,适合远距离监测
➢ 体积小、重量轻
适合特殊场合,便于与基材耦合智能材料
➢ 传输容量大
可实现多点分布式测量,单根光纤最大可串接多个光栅传感器
➢ 抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性能好
光纤中传输的光信号不受电磁干扰影响,非通电传感,环境适应性强。


三、各种解决方案

光纤光栅智慧筋制备的难题
➢ 易脆断
光纤光栅材料为SiO₂,玻璃性脆性材料,抗压、抗折的能力极其的弱,几乎一掐就断。拉索的工程应用环境是十分的恶劣,难以给光纤光栅提供存活的空间。
➢ 量程小
光纤光栅抗拉能力较强但有限,但其极限抗拉应变约为4500微应变,而拉索的钢丝、钢绞线屈服时应变达到了9000微应变,一般预应力钢绞线张拉70%的应变就达到了7000多微应变,显然光纤光栅用于钢绞线受力监测时其监测量程需要提高。
➢ 传输引线及接头难
中心波长的数据需要光纤传输出来,而体内钢绞线被混凝土及灌浆材料包裹,吊杆,拉索等体外用钢绞线为了防腐,外面也有油脂及护套保护,岩土锚索更时埋入地下。因引传输数据的光纤需沿钢绞线全长引出。目前的接头也像瓷娃娃一样,一碰就碎。

碳纤维智能筋、玻璃纤维智能筋替代钢绞线中心丝(CFRP-OFBG,GFRP-OFBG)


封装有光纤光栅的低碳钢管替代钢绞线中心丝


以上两种替代中心丝的做法存在以下几个问题:
1.替代中心丝的智能筋和钢管与钢绞线中心丝是不同种材料,不是等强度替代,静力和疲劳性能能否通过,有待进一步验证;
2.不同种材料的替换,钢绞线端部的有效锚固难度增加;
3.智能筋的替换在温度变化时变形不能协调一致;

封装有光纤光栅的聚四氟乙烯管安装于钢绞线边线上


封装有光纤光栅的小钢管用抱箍安装于钢丝上或钢绞线边线之间的空隙


四、解决方案与试验验证

解决方案


➢ 耦合技术、单根现场张拉索耦合技术、智慧钢绞线成品索耦合技术、智慧钢丝与钢丝拉索耦合技术、可更换体系研究;


试验验证

➢ 静力加载试验、抗疲劳试验、试验报告、力学性能


光纤光栅智慧钢丝、钢绞线的优点


五、工程应用

衡阳东洲湘江大桥拉索应力监测


1)实时索力显示功能;2)历史索力对比、实际索力与设计索力对比;3)安全预警;4)传感器异常检测;5)索力发展趋势预测;


广东佛山佛清从高速公路预制箱梁锚下应力


其他应用及案例


《光纤光栅智慧筋索力监测研究进展及其工程应用》
朱万旭 桂林理工大学土木与建筑工程学院教授
广西智慧结构材料工程研究中心主任

注:本内容仅供个人研学交流,版权归原作者所有


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