光纖光柵智能材料與橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)研究.pdf

1、在科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的推動下，我國城市及公路交通建設(shè)得到了飛速發(fā)展，在沿江沿海、西部山區(qū)及各大城市修建了大量的特大型橋梁。這些橋梁溝通南北、連結(jié)東西，成為我國眾多城市及公路交通的樞紐和標(biāo)志性建筑。隨著這些橋梁使用時間的推移和超限運(yùn)輸?shù)脑黾?，特大橋梁事故的潛在危險和幾率隨之上升，并不時出現(xiàn)影響國計民生的嚴(yán)重橋梁事故。由此，橋梁管理部門和工程界提出了對特大橋進(jìn)行健康監(jiān)測和安全管理養(yǎng)護(hù)的課題，希望通過科技手段監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，為橋梁

2、的安全性判斷提供依據(jù)，保障橋梁結(jié)構(gòu)在安全運(yùn)營的前提下延長其使用壽命，確保其社會經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。由于橋梁安全運(yùn)營對社會及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的作用至關(guān)重要，世界各發(fā)達(dá)國家紛紛采用高新技術(shù)解決橋梁安全運(yùn)營保障的技術(shù)難題，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究和開發(fā)應(yīng)用成為了當(dāng)前世界范圍的研究熱點，最近幾年在很多國家得到了快速的發(fā)展。智能材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研究作為21世紀(jì)最具挑戰(zhàn)性的課題之一，在軍事和民用方面都具有重大的應(yīng)用前景，利用智能材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)解決重大土木結(jié)構(gòu)生命

3、周期健康安全監(jiān)測和狀況評估問題，因其重大的社會意義和經(jīng)濟(jì)價值也成為了世界性的研究熱點。目前，世界發(fā)達(dá)國家將基于電磁類的智能材料應(yīng)用大型橋梁結(jié)構(gòu)的減振抗震控制取得了大量成果，將光纖光柵智能材料應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究也進(jìn)行了一些嘗試，主要成果集中為單項傳感器的實驗室研究試驗。 當(dāng)前，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究的關(guān)鍵和核心問題是橋梁關(guān)鍵信息的長期可靠采集?；诠饫w光柵智能材料的監(jiān)測系統(tǒng)由于本身具有長期可靠性的優(yōu)點，逐漸成為構(gòu)建橋梁

4、長期健康監(jiān)測系統(tǒng)的首選技術(shù)。由于特大型橋梁結(jié)構(gòu)的空間分布廣，需要測試的參數(shù)類型多，如何利用光纖光柵智能材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測所需各種類型參數(shù)的長期可靠采集，成為急需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。 本論文的研究立足于采用先進(jìn)光纖光柵傳感測試技術(shù)，根據(jù)智能材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的理論和思想，構(gòu)建長期可靠的特大型斜拉橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，通過長期結(jié)構(gòu)信息的采集和連續(xù)測試以評估特大型橋梁的安全健康狀況。在國家自然科學(xué)基金重點、國家863計劃

5、和湖北省重點攻關(guān)項目的支持下，以武漢長江二橋、武漢陽邏長江公路大橋和天興洲公鐵兩用長江大橋的長期健康監(jiān)測系統(tǒng)實施為工程背景，圍繞智能材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在橋梁健康監(jiān)測中應(yīng)用的基礎(chǔ)理論、基本實驗和工程實際開發(fā)，研究了光纖光柵智能材料應(yīng)用于橋梁領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)，從橋梁結(jié)構(gòu)受力和交通荷載監(jiān)測等方面探討了專用光纖光柵傳感器測試系統(tǒng)的制備和傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成技術(shù)。研究工作歷時三年，多項研究成果通過湖北省科技廳的科技成果鑒定，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，達(dá)到國際先進(jìn)水平

6、。 (1)對大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行回顧和總結(jié)，分析可資借鑒的經(jīng)驗教訓(xùn)，明確大型橋梁長期健康監(jiān)測系統(tǒng)的基本構(gòu)成和原理，以及存在的問題和亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)； (2)就智能材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及相關(guān)的傳感測試技術(shù)，特別是光纖光柵傳感測試技術(shù)在智能材料與結(jié)構(gòu)中的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行概括和總結(jié)，探討光纖光柵智能材料與結(jié)構(gòu)的基本概念、構(gòu)成方式，及其在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用原理，進(jìn)而提出本課題的研究目標(biāo)和任務(wù)；

7、 (3)根據(jù)大型斜拉橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的特點，利用光纖光柵傳感測試技術(shù)及智能材料與結(jié)構(gòu)的思想，解決斜拉索索力、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位應(yīng)變、溫度和重載車荷載實時監(jiān)測難題，研究、設(shè)計并開發(fā)了相應(yīng)測試系統(tǒng)； (4)根據(jù)大型斜拉橋長期健康監(jiān)測系統(tǒng)所采集的結(jié)構(gòu)受力、環(huán)境及交通荷載的實時信息，提出針對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)計算仿真的健康狀況評估系統(tǒng)，并設(shè)計了相應(yīng)的評估指標(biāo)體系： (5)將研究成果在國內(nèi)率先應(yīng)用于實際的大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，武漢長江二