基于分布式光纤的预应力梁预应力监测试验研究.pdf

分类号TU375.1 密级UDC _硕士学位论文基于分布式光纤的预应力梁预应力 监测试验研究学科专业 结构工程 基于分布式光纤的预应力梁预应力监测试验研究 摘要材料的损伤老化、服役期间工作环境的变化、时间的推移等因素 都会使得初始预加应力逐渐减少。有效应力为初始预加应力和预应力 总损失的差值。预应力混凝土结构中随着预应力损失的逐渐增大，有 效预应力逐渐减小，结构的消压荷载、开裂荷载等安全指标也将逐渐 减小，进而可能导致结构在服役期间的安全风险增大。因此有必要采 取必要的技术手段对有效预应力进行施工阶段及服役期内的长期监 测。本文结合布里渊分布式光纤传感技术，研制一种既可直接承受荷 载又具备温度、应变感知功能的不锈钢管智能筋，并将其应用到后张 有粘结预应力混凝土梁应变监测试验中，从试验研究、数值模拟两个 层面为预应力混凝土梁的分布式应变监测进行研究，主要研究内容如 下：1.研制基于布里渊分布式光纤传感技术的不锈钢管智能筋；并将 其替换钢绞线中丝制作为可实现分布式应变测量的智能钢绞线；对不 锈钢管智能筋、智能钢绞线进行应变传感性能和温度传感性能标定，进而将其应用于预应力混凝土梁分布式应变监测试验中。2.利用智能钢绞线对后张有粘结预应力混凝土梁进行预应力损失 分布式监测；在混凝土梁表面粘贴0.9mm紧包光纤，对预应力混凝 土梁在各级荷载下的混凝土应变和钢绞线应变进行分布式监测，并对 比传统传感器测试结果，验证光纤分布式测量的可行性和可靠性。I3.对曲线力筋预应力混凝土梁进行基于ANSYS的非线性数值模拟，分析混凝土、预应力筋的应变分布规律。关键词：分布式光纤预应力损失有效预应力应变监测EXPERIMENTAL STUDY ON PRESTRESSMONITORING OF PRESTRESSED BEAMS BASED ONDISTRIBUTED OPTICAL FIBERABSTRACTThe aging of materials,changes in the working environment during the service,and the passage of time will reduce the initial pre-stressing.The effective stress is the difference between initial prestressing and total prestress loss.Increase with the gradual loss of prestress in the pre stressed concrete structure,prestressed gradually decreases,and the structure of the pressure load,cracking load safety indexes such as elimination will be gradually reduced,which may lead to structure safety risk during service.Therefore,it is necessary to take necessaiy technical means to carry out the construction stage of effective prestress and long-term monitoring during the service period.Based on brillouin distributed optical fiber sensing technology,developing a bear loads can be directly and has the function of temperature and strain sensing stainless steel tube intelligent reinforcement,and apply it to the post-tensioned prestressed concrete beam strain monitoring tests,and from the aspects of experiment research,numerical simulation for the study of distributed strain monitoring of prestressed concrete beam,the main research content is as follows:1.Develop a stainless steel tube intelligent bar based on brillouin distributed optical fiber sensing technology;It is also used to replace the wire in the steel strand to realize the intelligent steel strand of distributed strain measurement.The strain sensing properties and temperature sensing properties of the stainless steel tube intelligent bars and steel inwires are calibrated and applied to the distributed strain monitoring test of prestressed concrete beams.2.The distributed monitoring of prestress loss in the post-tensioned prestressed concrete beam by using the intelligent steel strand;Stickup on the surface of the concrete beam 0.9 mm of tightly packed optical fiber,the prestressed concrete beam under the load at all levels of strain of concrete and steel strand strain distributed monitoring,comparing with the traditional sensor test results,verify the feasibility and reliability of fiber distributed measurement.3.Based on ANSYS nonlinear numerical simulation of the prestressed concrete beam of curved force reinforcement,the strain distribution law of concrete and prestressed reinforcement is analyzed.Keywords:Distributed optical fiber sense;Loss of prestress;Effective prestress;The strain monitoringrv目录摘要.IABSTRACT.Ill第一章绪论.11.1 选题的研究意义与目的.I1.2 国内外光纤传感技术研究现状、水平及发展趋势.21.2.1 基于BOTDA的分布式光纤传感技术.41.2.2 BOTDA传感技术在土木工程领域的应用现状.61.2.3 本文研究的主要内容.10第二章布里渊光纤传感特性试验研究.112.1 基于布里渊光纤传感技术的应变和温度传感机理.112.1.1 布里渊频移与应变的对应关系.II2.1.2 布里渊频移与温度的对应关系.122.2 不锈钢管智能筋研制及传感性能试验研究.132.2.1 制作工艺.142.2.2 试验设备和材料.16223不锈钢管智能筋应变系数标定试验.182.2.4 不锈钢管智能筋温度系数标定试验.202.3 分布式光纤传感智能钢绞线研制及传感性能试验研究.232.3.1 制作工艺.232.3.2 智能钢绞线等效弹性模量.242.3.3 智能钢绞线应变系数标定试验.262.2.4智能钢绞线温度系数标定试验.28第三章预应力混凝土梁分布式应变监测试验研究.313.1 试件设计.313.2 材性试验.343.2.1 混凝土.34v3.2.2 钢筋.343.3 布里渊分布式预应力损失监测试验.353.3.1 预应力损失影响因素.353.3.2 布里渊分布式预应力摩擦损失监测试验.383.3.3 布里渊分布式预应力锚固损失监测试验.403.4 预应力混凝土梁内力参数计算.423.4.1 有效预应力的分布式监测.423.4.2 内力参数计算.443.5 预应力混凝土梁分布式应变监测试验.463.5.1 量测方案.463.5.2 力口载方案.483.5.3 试验过程.493.5.4 试验结果分析.50第四章基于ANSYS的预应力混凝土梁非线性数值模拟.604.1 ANSYS模拟预应力混凝土的非线性求解控制设置.614.2 模型与单元.624.2.1 材料特性.624.2.2 模型建立与求解.644.3 数值模拟结果分析.64第五章结论.70参考文献.71致谢.76攻读硕士学位期间论文发表情况.77VI广西大学硕士学位论文基于分布式光纤的预应力梁预应力监测试雅研究第一章绪论1.1 选题的研究意义与目的预应力混凝土结构以张拉预应力钢筋的形式对混凝土施加预压应力，其在承 受外荷载作用时，预压应力将会被首先抵消，随后下部混凝土才会产生拉应力。这种做法充分利用了混凝土抗压强度远大于抗拉强度的特点，推迟了混凝土拉应 力产生的时间进而延缓了裂缝出现的时间。预应力混凝土结构相比钢筋混凝土结 构对提高结构承载能力上作用很小，它的优点在于推迟了裂缝产生的时间，提高 了结构的耐久性，改善了结构在正常使用阶段的工作性能。随着预应力技术在基础设施建设中的快速发展，预应力混凝土结构为抗渗工 程、大跨度结构体系、防裂工程等提供了新的解决方案。相比于传统钢筋混凝土 结构自重过大、易开裂、易下挠、不够经济、美观等问题，预应力钢筋混凝土结 构因对混凝土施加预压应力提高了结构抗弯刚度和耐久性，因此在国内外得到了 广泛的推广。然而预应力混凝土结构也有其缺点，其进入服役期后期老化阶段后，有效预应力难以有效监测和保证，过低的有效预应力有可能发生重大结构安全事 故。至今为止，人们对有效预应力发展还没有既经济又有效测量手段，也没有对 预应力在结构中随时间的变化情况进行长期监测，从而缺乏真实、可靠的数据对 预应力混凝土结构的工作状态进行判断评价。分布式光纤传感技术是一种连续分布式的测量手段，能够准确地获取光纤沿 线上任一点的信息，克服了传统点式传感器漏检的缺点。光纤的材质特性还可以 使其应用到各种形状不标准待测物体表面或内部中，克服了传统点式传感器（如 电阻应变片）难以对被测物体进行全方位布设的缺陷。光纤截面小、重量轻，可 将其作为监测单元嵌入被测物体内部，光纤纤芯的直径不足lOOgm,嵌入后对材 料的性能的影响极小，也几乎不增加待测物体的重量，因此可以满足对待测物体 各部位应变、温度等的检测项全方位、全过程无损监测。分布式光纤传感技术已 在诸多领域的分布式监测及管道泄漏事故预警中显示出极大的优越性，但在实际 工程应用中，因光纤纤细、易折的特性，其极易在施工过程中受到破坏。在将分 布式光纤传感技术应用于实际工程过程中，光纤的封装、布设工艺是十分重要的 广西大学硕士学位论文基于分布式光纤的预应力果预应力监测试验研究一环。本文围绕分布式光纤传感技术应用于预应力混凝土梁应变监测、预应力损失 监测的关键技术，通过试验分析完善了分布式传感光纤在预应力混凝土梁内部的 布设工艺，同时进行了利用分布式光纤监测预应力梁应变的试验研究。1.2 国内外光纤传感技术研究现状、水平及发展趋势1970年以来，随着光纤制作技术和光纤通信技术的发展，光纤传感技术作 为一种新型传感技术逐渐兴起。光纤和光波分别是光纤传感技术的传输介质和传 播信号，以此感知和探测外界待测信号。相比传统的电学传感器，光纤传感技术 在传感原理、传感方式、信号的侦测与解调等方面有很大不同。光纤具有不导电、质轻纤细、柔软易弯曲、抗电磁辐射等特点，特别适宜在空间狭小、强电磁环境 等不利环境下使用。因此，光纤传感技术自经问世以来就在通信、电力、能源、交通、建筑、航天等领域引起了极大重视。光纤传感技术最初的应用普及并进入学术界的视野，始于1979年美国航天 局为检测待测材料的温度和应变，将光纤封装在特殊保护层中口。此后光纤逐渐 作为一种新的传感介质在大型土木工程中推广应用，光纤传感技术应用范围的 迅速扩大是因其相比传统传感器具有以下优点的1、光纤具有不导电，抗电 磁辐射的特点，可在强电磁环境下工作。2、光纤可对待测物体连续不间断监测，也即分布式测量，这是光纤传感技术相对于传统传感技术最大的优点。3、通过 对光纤进行位置标定，可以实现远程控制、采集数据，自动化程度高。4、施工 简便灵活。将裸光纤封装在保护层中后，对于新开工工程可在施工过程将封装后 的光纤直接预埋到混凝土中;对于已建工程可以采用环氧树脂等将其粘贴到构件 表面或者开槽将其嵌入封装。5、光纤既可以作为传输介质也可作为传感介质，通过布设长距离的传输光纤可实现长距离的数据采集，能够满足各种实际工程的 距离需求。6、光纤具有高灵敏度和高精度的特点。按照光纤是否对待测信号进 行调制一般可分为非本征型和本征型两类。光纤在非本征型光纤传感器中仅具备 信号传输作用，由其他装置调制信号，光纤的作用类似于传输导线。光纤在本征 型光纤传感器中不但是传输介质，同时具备感应待测信号的作用。光纤光栅准分 2广西大学硕士学位论文基于分布式光纤的预应力梁预应力监测试验研究布式式传感器(FBG)、SOFO光纤传感器、布里渊分布式光纤传感系统是目前应 用较为成熟的光纤传感器。光纤光栅(Fiber Bragg Grating)传感器的原理是通过测 量Bragg波长的变化从而解调处应变和温度变化，是一种波长调制型准分布式光 纤传感器。瑞士联邦工业学院研发的SOFO光纤传感器是一种点式光纤传感器。它可检测应变、温度、加速度等物理量，长度范围为从250mm10m不等。光纤 在布里渊分布式光纤传感技术中既是传输介质也是传感元件，光纤长度方向的所 有待测物理量均可被采集到，通过合理的布置可对工程结构进行整体健康监测。上世纪70年代末随着光时域反射技术的发展，分布式光纤传感技术作为一 种新型传感技术应运而生。普通单模光纤是分布式光纤传感技术的传感介质和传 输介质，可以对光纤沿长度方向的被测量场进行连续不间断监测，这是其他传感 技术所不具备的优点，这也使其成为当前传感技术研究领域的热点。分布式光纤 传感技术从70年代末提出到现在短短几十年里得到了迅速发展，最终在以下三 个方面取得了技术突破。基于瑞利散射的分布式光纤传感技术。基于拉曼散 射的分布式光纤传感技术。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。其中前两 者的研究已经趋近成熟，并逐渐走向实用化。布里渊分布式传感技术在应变、温 度测量上相对于前两者具有更高的测量精度、更大测量范围和更大的空间分辨 率。虽然其研究起步较晚，但由于上述优点，布里渊分布式传感技术越来越多的 得到关注与研究。光纤中光的散射过程主要有拉曼散射、瑞利散射、布里渊散射三种。它们的 散射机理有所相同。其中，布里渊散射是声波与光波在光纤介质中传播时发生相 互作用所产生的光散射过程。布里渊散射在不同的条件下又分为受激散射和自发 散射两种形式。自从日本学者Horiguchi和英国学者Culverhouse等人首次分别提 出利用布里渊散射频移特性作为分布式应变和温度传感原理以来，在世界范围 内，众多研究人员展开了基于布里渊散射的传感系统的研究,取得了可喜的成绩。目前，基于布里渊散射的光纤传感技术的研究主要分为三个方面。基于布里渊 光时域反射(BOTDR)技术的分布式光纤传感技术。基于布里渊光时域分析 BOTDA(Brillouin Optical Time Domain Analysis)技术的分布式光纤传感技术。基于布里渊光频域分析技术(BOFDA)的分布式光纤传感技术。3广西大学硕士学位论文基于分布式光纤的预应力梁预应力监测试验研究1.2.1 基于BOTDA的分布式光纤传感技术BOTDA工作原理如下所示，在光纤的两端分别将一束泵浦光和连续光输入 传感光纤中，当泵浦光和连续光的频率差与光纤中的某区段里的布里渊频移大小 相等时，就会在该区域产生布里渊放大效应。连续调谐泵浦光和连续光的频率差 并实时对比和检测出连续光达到最大光强时所对应的频率差，即可确定光纤各位 置点的布里渊频移。光纤所处环境的温度和所承受的拉压应变与光纤中的布里渊频移在一定条 件下呈线性变化的规律，并由下式给出.式中：A%为布里渊频移改变量；%为温度灵敏度系数 7为温度改变量，为应变灵敏度系数,为应变改变量。n肱冲七（渣光）“-mp.I|2 K；上-|加里海光时域图1-1 BOTDA工作原理Fig.1-1 The working principle of BOTDAT.Horiguchi等人首次发现布里渊频移与应变成线性变化关系，并在1989 年第一次提出了 BOTDA的概念。同年，英国学者Culverhouse等人发现光纤的 布里渊频移与温度也成线性变化关系，并且首次提出根据该物理特性来检测温度 网。1989年，Horiguchi等人开发了第一套BOTDA系统测试光纤的布里渊增益 频谱，开创了应用布里渊分布式传感技术进行应变和温度检测的序幕【叫 鉴于 BOTDA系统需要光纤光路闭合，比较复杂，Kurashima等人设计了第一套采用 光相干检测方式的BOTDR系统。这也是日本NTT公司以后所开发的布里渊分 布式应变检测仪的原型机，BOTDR系统采用单端测量，无需光路闭合，可以测 4广西大学硕士学位论文基于分布式光纤的预应力梁预应力监测试验研究断点，可以提高实际工程应用中系统的成活率【。1995年该BOTDR系统进一 步得到提升，脉冲宽度最小达到了 10ns,其空间分辨率也达到理论最小值ImU 目前基于该技术的AQ8603的检测距离、空间分辨率以及应变检测精度分别可达 80km,1m和40明。自九十年代初开始，加拿大Xiaoyi Bao教授致力于BOTDA 技术的研究。1995年，她设计的基于布里渊损耗的BOTDA系统实现了距离长 达51km,温度检测分辨率1 C和空间分辨率为5m的传感测量。1998年该BOTDA 系统的指标有了更大幅度提高，空间分辨率达到了 0.5m和士15侔的应变测量精度【。从1993年到2009年，通过国内外学者网持续的研究，空间分辨率在长 距离光纤上实现了一次又一次的突破。2010年，国外学者MA.Soto使用较低功 率的光波在50km的测试距离上突破了空间分辨率米级的限制，同时并且使得应 变分辨率、温度分辨率在高空间分辨率的条件下达到50四以及土3的级别。截 止目前为止，加拿大一家企业新研发的ForesightTM仪器将其空间分辨率提高至 10cm级别，并实现在此空间分辨率下，50km测试距离内应变、温度测量精度达 到0.1 和2“四。2005年日本的Kishida等的提出了 BOTDA的升级版本即脉冲预泵浦-布里渊 光时域分析（PPP-BOTDA）技术，该技术同时实现了高空间分辨率和高精度测量，并有效解决了二者之间的相互制约，使得此技术得到工程界的广泛认可。普通的BOTDA技术无法同时实现高空间分辨率和高精度（50氏）测量，为实 现应变测试的高分辨率，一般需要减小泵浦光的脉冲宽度，泵浦光脉冲宽度的减 小缩短了泵浦光和探测光之间的相互作用时间，因此导致了声子的受激时间不充 分达不到28ns的时间要求。当空间分辨率的提高时，布里渊增益频谱的半值全 宽将逐渐增大，导致曲线趋于平坦。脉冲宽度小于lns（10cm空间分辨率）时，BGS 的半值全宽将接近1GHZ,当FWHM较宽时将使得精确测量极为困难。因此，仅通过减小脉冲宽度来实现高空间分辨率的方法难以实现。PPP-BOTDA传感原 理与BOTDA基本相同，只是在激发测量的脉冲光之前，加载适当的脉冲预泵浦 光（DpQ，预先激发声子，保证声子受激时间。其工作原理图如下所示。5广西大学硕士学位论文基于分布式光纤的预应力梁预应力挺测谎验研究图1-2 PPP-BOTDA工作原理Fig.1-2 The working principle of PPP-BOTDALiChe-Hien等国外研究人员2008年在应变测量精度为25距的条件下应用 PPP-BOTDA技术使光纤的空间分辨率达到了 2cm。南京大学的学者为了提高 BOTDA技术的空间分辨率，另辟蹊径利用特殊处理过的脉冲光，实现了 5cm级 别的空间分辨率。在市场推广方面，日本光纳株式会社是PPP-BOTDA光纳仪开 发的先驱，其目前主打的品牌是NBX系列，其最新产品NBX-7020可以实现2cm 的空间分辨率，应变检测精度可达10四，温度检测精度可达0.5冈实现了应 用仪器上的巨大突破。本文试验过程中采用分布式光纤传感技术就是PPP-BOTDA技术，仪器型号 为日本光纳株式会社生产的NBX-6050Ao1.2.2 BOTDA传感技术在土木工程领域的应用现状由于BOTDA技术独特的优势，并且相比其他分布式传感技术其具有较高的 空间分辨率、温度精度和应变精度，BOTDA技术在土木工程领域极大的应用潜 能吸引了国内外学者的关注。因土木工程结构大多采用混凝土材料，同时混凝土 材料是非线弹性材料，抗压强度远大于抗拉强度，存在开裂、压碎等情况，要实 现真正的混凝土裂缝分布式检测，必须具备较高的空间分辨率，否则可能会导致 漏检。从光纤布拉格光栅(FBG)温度、应变传感特性1989年首次被Morey W.W发 现至今，FBG因其可实现局部高精度检测已在土木工程结构健康监测中得到广 泛应用【24-2刀。同时，布里渊频移与温度、应变的线性对应关系于1989/991年先 后被T.Horiguchi和Culverhouse发现，这也拉开布里渊分布式传感技术在土木工 程领域中应用的序幕啰-29。目前,BOTDA技术在国外大多被应用于如管道泄露监控等工程领域。美国、6广西大学硕士学位论文基于分布式光纤的预应力渠预应力监测试验研究日本、韩国等已经就BOTDA技术开发了相应的传感器并将其应用在新建土木 工程实际项目中。日本有学者应用BOTDA技术在预应力混凝土梁试验中监测 受弯构件的应变。MIten等学者将BOTDA技术应用于岩土工程中，并提出应用 该技术时应解决材料刚度不匹配、光纤与结构变形不协调等问题网。Matta 为检测桥梁的健康状态将分布式光纤粘贴在结构表面，取得了较好的结果。BOTDA技术在国内目前更多是处于理论研究和初步应用阶段，其在土木工 程领域的应用最近几年才开始逐渐显现，并逐渐被应用于一些结构健康监测工 程中因。2001年施斌及其课题组在云南嵩待公路、玄武湖隧道、南京市鼓楼隧 道等实际工程应用BOTDA技术取得了较好的效果。同年，国土资源部在巫山 地质灾害预防示范站工程中也应用到了 BOTDA技术【33】。2005年，北京路源公 司在贵阳大型水电站施工中为监测大坝大体积混凝土浇注过程的温度变化利用 BOTDA技术进行了尝试；其后将其应用于航天部光纤环向应力监测、广东12 公里高压电缆温度监测等项目中。2005年，欧进萍、周智等人研制出系列以FRP 作为封装材料的BOTDA/R-FRP-OF光纤传感器，并将其应用于广州体育西路人 防工程、大庆公路等项目中。南京理工大学丁勇网等学者为监控支护结构的受 力变化特征，在SMW工法桩上布设了分布式光纤。2008年东南大学钱振东网 等人将分布式光纤传感技术应用于沥青混凝土铺装层裂缝开裂监测，取得良好 的效果。2010年哈尔滨工业大学的何建平口6应用BOTDA和FBG共线技术，在 实际工程中实现了一般部位分布式检测(BOTDA)和局部重点部位高精度检测(FBG)o 2011年江宏等人利用预泵浦一布里渊光时域分析技术对管桩桩身应变 进行检测，对比传统滑动测微计的所测结果，得出PPP-BOTDA可在桩基检测 工程中推广应用的结论。2009年至2011年吴智深、郭彤等在钢筋锈蚀、混凝土 结构应变检测等方面应用PPP-BOTDA技术取得了很好的效果。2013年中国地 质大学的刘少聪明应用PPP-BOTDA技术对桥梁挠度进行长期监控。2010-2014 年，浙江大学毛江鸿、金伟良等139Hoi分析了光纤传感器的应变传递性能，并将 BOTDA技术应用在文物保护、钢筋应力分布式检测及混凝土结构裂缝检测，最 终取得了一定成果。2013年李春峰等用将BOTDA技术应用于大体积混凝土温 度监测，实践表明测温光纤能准确的反映温度变化,通过实时监控有效的指导施 7广西大学硕士学位论文基于分布式光纤的预应力梁预应力监测试验研究工,可为防止温度裂缝的出现起到了积极的作用。2014-2016年毛江鸿，陶思聪,贾强强等国训改进了光纤布设方式用于监测混凝土微裂缝，实现了微裂缝的发 生及开裂路径的监测，通过钢筋混凝土梁的静载试验,分别验证了梁侧全面粘结 光纤的微裂缝识别和梁底斜交光纤组的裂缝宽度跟踪监测的有效性。2014年杨 孟等网针对水工结构物健康监测的领域特点，通过多组试验，分析了 PPP-BOTDA分布式光纤传感技术的平均化次数、重复性、扫频范围、扫频步长、监测时间、长短距离空间定位精度、空间分辨率和采样间隔等各项性能指标，在 此基础上，进行了基于该技术的水工结构物温度和应变监测试验，验证了该技术 在水工结构物健康监测中的感知性能和可行性。2014年杨洋洲等阐通过对武汉 某高架桥大体积混凝土桥墩横梁的温度监测实例分析，证明了分布式光纤实测 桥墩横梁混凝土温度的真实可靠性。2016年易贤龙等147通过在白水河滑坡前缘 采用定点固定加直接埋设的方式并行布设应变式光纤和温度补偿式光纤，开展 了地表变形监测，结果表明，采用PPP-BOTDA技术进行滑坡地表变形监测时，与野外空间地理位置上吻合度较高，对光纤技术在滑坡监测中的应用具有一定 的借鉴意义0 2016年吴佳骐等网依托青岛市某道路拓宽工程边坡监测项目，采 用BOTDA技术对边坡锚杆等进行了长期的跟踪调查,并结合室内边坡模型试验 与有限元分析进行了综合的研究，结果表明光纤与应力计得到的数据呈现较好 的线性关系，室内试验、数值模拟以及工程实践的结果具有统一性,BOTDA技术 在边坡监测中精确可靠,值得进一步开发。2016年李立贡等Ml将分布式光纤监 测技术应用于深基坑桩锚支护结构的变形监测中，工程实践表明,基于BOTDA 的分布式光纤传感技术具有连续性检测的优点，适合应用于基坑支护结构的变 形监测。2016年宋占璞等【5。】基于光纤感测技术,对多场作用下土体结构系统变 形响应进行了比较系统的室内试验和现场监测研究，研发出了适合于土块、土 层、土体三个结构层次的变形响应光纤光栅传感器和应变感测光缆,通过均质和 非均质土体的室内边坡模型坡顶加载和坡脚开挖试验，研究了应力场作用下土 体结构系统变形响应规律。光纤作为布里渊分布式传感系统的传感元件和传输元件，可以对光纤沿长 度方向的待测场进行连续实时不间断监测。因光纤纤细质轻的特点，光纤埋入待 8广西大学硕士学位论文基于分布式光纤的预应力梁预应力监测试验研究测体后对其力学性能影响极小。然而作为制作光纤的主要材料SiO2,抵抗剪切能 力极差，因此应采用合适的封装材料和封装工艺对裸光纤进行保护后方可将光纤 布设于实际施工环境中，否则在混凝土浇注、振捣等施工过程中光纤极易折断、破坏。同时也应考虑到，对于不同的监测对象，分布式光纤的布设方式要有所不 同。比如当基体材料与光纤材料性能差异极大时，因应变不协调，结构变形不同 步，将会使得应变在传递处中发生损耗。因此选用合适的光纤15”如FRP封装）及其对应的布设工艺是将BOTDA技术在土木工程领域推广应用的关键一环。在光纤的封装布设方面，Zeng阳）以分别以将光纤埋入玻璃纤维筋、在粘结 于钢筋表面的光纤涂覆环氧树脂两种方式对光纤进行封装，利用Bao课题组研 制的BOTDA系统，对一根长1.65m的钢筋混凝土梁进行三点及四点加载以检 测其应变，试验结果表明两种封装方式的光纤均能保证存活并具有较好的测试 精度。MattaR为同时实现分布式应变监测和温度补偿，采用钢纤维带对光纤进 行封装，并布设于钢桥表面，采用型号为AQ8603的光纳仪检测钢桥在各级荷 载下的应变。刘永莉网认为光纤固定困难限制了分布式光纤在许多工程领域的 推广使用，针对边坡变形监测中光纤难以固定的问题，根据摩擦力对张力分布 的影响，以缠绕方式的方式对光纤进行固定，并提出了合理设计布线方式。WU【55】采用BOTDR技术并分别以点式固定光纤和通长粘结传感光纤的方式，对 PBO-FRP的加固效果进行了分析和评价。于立朋56为利用BOTDA技术实现变 压器绕组温度分布式监测，采用玻璃纤维加树脂的复合材料对光纤进行保护、封装。Zhou切研制了一种FRP加固的长标距光纤传感器，通过电镜扫描、理论 分析，荷载试验研究了其表面粘结强度、力学性能、应变传递性能等，并将其 应用于某高速公路和大庆油田油井网。总部位于瑞士的Smartech公司经过长期 研发，使用加强钢丝工艺和不锈钢封装，研制出可同时对温度和应变进行分布 式监测的光纤传感器，并将其应用在油气泄露监测、混凝土裂缝监测、温度-应 变监测等领域。周智等人在以往研究的基础上，利用FRP封装技术及钢绞线增 强手段开发复合监测材料,先后研制出FRP智能传感筋及内嵌FRP智能钢绞线，提升了光纤传感元件的弹性模量和抗拉强度，并提出了光纤光栅与布里渊共线 测试技术3内嵌分布式光纤的智能钢绞线力学性能测试结果表明，其同时 9广西大学硕士学位论文基于分布式光纤的预应力梁预应力监测试验研究具有高测量精度、高材料耐久性和强工程适用性的特点-66。光纤的嵌入监测 法可以实现预应力筋在复杂状态下受力状态的分布式高精度监测。嵌入监测法 可以实现对复杂条件下预应力筋受力状态的分布式精确监测，但其生产成品要 应用于预应力工程实践中，还需要满足钢绞线防腐、数据线保护、粘结锚固性 能等技术要求。国内外研究人员投入了大量的时间和科研精力使分布式光纤传感器的性能 得到了极大的提高。然而，在光纤应用于各种实际工程中，粗放式施工随处可 见，目前光纤传感器的封装和保护工艺尚不能完全满足粗放式施工环境的需求。研制出可长期监测、高存活率、高耐久性的光纤传感器，仍是分布式光纤传感 技术在实际工程推广使用的关键难题和重要阻碍。1.2.3 本文研究的主要内容本文结合布里渊分布式光纤传感技术，研制一种既可直接承受荷载又具备 温度、应变感知功能的不锈钢管智能筋，并将其应用到后张有粘结预应力混凝 土梁应变监测试验中，从试验研究、数值模拟两个层面为预应力混凝土梁的分 布式应变监测进行研究，主要研究内容如下：L研制基于布里渊分布式光纤传感技术的不锈钢管智能筋；并将其替换钢 绞线中丝制作为可实现分布式应变测量的智能钢绞线；对不锈钢管智能筋、钢 绞线进行应变传感性能和温度传感性能标定，进而将其应用于预应力混凝土梁分 布式应变监测试验中。2.利用智能钢绞线对后张有粘结预应力混凝土梁进行预应力损失分布式监 测；在混凝土梁表面粘贴0.9mm紧包光纤，对预应力混凝土梁在各级荷载下的 混凝土应变和钢绞线应变进行分布式监测，并对比传统传感器测试结果，验证光 纤分布式测量的可行性和可靠性。3.对曲线力筋预应力混凝土梁进行基于ANSYS的非线性数值模拟，分析混 凝土、预应力筋的应变分布规律。10广西大学硕士学位论文基于分布式光纤的预应力梁预应力监测试验研究第二章布里渊光纤传感特性试验研究布里渊散射为光在非完全均匀介质的行进过程中，声子与光子发生相互作用 所产生的散射现象。布里渊入射光频率与散射光频率的差值即为布里渊频移。布 里渊频移与光纤所承受的应变和温度有关，通过采集光纤沿长度方向各点的布里 渊频移值可解调出光纤所处环境中温度和应变的改变量。根据此原理可将光纤应 用于工程结构监测工作中，实现应变与温度的分布式测量。2.1 基于布里渊光纤传感技术的应变和温度传感机理环境中应变和温度的变化，影响着光纤介质材料特性，从而表现出对光纤布 里渊频移的作用。假设入射光频率为vo,散射角为仇介质的折射率为n,光纤中 的声速为Va,c为光在真空中的传播速度。布里渊频移VB可写为下式。Vb=2%-sin 3/2）根据X.Bao等人的研究成果，声速Va可写为下式。上式中E为材料弹性模量，p为光纤介质密度，K为泊松比。光纤大多是石英介质，散射光方向以背向为主，背向散射取8=兀。光纤介质 中同时存在弹光效应，热光效应，温度与应变分别通过热光效应和弹光效应使得 弹性模量E,介质密度p,光纤介质折射率m泊松比K发生改变。可将温度和 应变视作自变量,E、n、p、K视作因变量，记为E(T,),n(T,),p(T,),K(T,),取8=兀，代入2-1式，建立布里渊频移关于应变和温度的函数：E(T,)1 一人(兀)乙（T,）=n（T,1+4（？，）1 一 2（7,）夕（）以下本文将应变、温度分别视作单一变量，讨论布里渊频移与二者的关系。2.1.1 布里渊频移与应变的对应关系将应变视作单一变量，将温度T设定为恒定不变量，使To=25C,单独分析 布里渊频移与应变之间关系，可得:11广西大学硕士学位论文基于分布式光纤的预应力梁预应力监测试验研究力（&4=等优、仅，）口 一&，）口+优，司1一2伍，司/年(2-4)将 E(To,8),n(To,),p(To,),K(T在=0 处泰勒展开,只保留一次项可得:9）=（）=。（）=m）=(2-5)将2-4式在=0处泰勒展开，只保留一次项可得：,、/、f B n d 芯（0）2 （0）、丹（）=匕（）,1+1 +F T +r-TVir-（2-6）八 1 八阳0）n（0）2p（0）1一/0）1-见0）E，n“M（0）2（0）令 AE=厂，An=7-y，p=-P，AK=r-1厂-7-7-r，2E（0）n（0）2p（0）1-Kl（0）1-2K（0）可得：为（=与（0）1+（四+从+中+从）（2-7）BOTDA光纤传感技术中选用的入射光波长大多为1550nm,根据大量实验 研究结果，当温度恒定，波长大=1550nm的入射光入射普通单模石英光纤时，可取AE=2.88,An=-0.22,=0.33,AK=1.49o 此时 27 式可写为:江石。匕（4,）（1+44&）（2-8）匕=%（4 一%偏。）&均体。）&（9）由29式可知，当温度恒定T=To时，布里渊频移改变量是应变的一次函数,布里渊频移与应变呈直线变化关系。2.1.2布里渊频移与温度的对应关系将温度视作单一变量，应变设定为一恒定不变量使=0,单独分析布里渊频 移与温度之间关系，可得:12广西大学硕士学位论文基于分布式光纤的预应力梁预应力液测试验研究vjT，0)=-nT,0)L-L-:=?(2-10)c 7 1+(T,0)J 1-2K(T,0)J p(7,0)将E(T,0),n(T,0),p(T,0),K(T,0)在T=T0处泰勒展开，只保留一次项并令dn dTdn、方dT dT L、/q将2-10式在T=To处泰勒展开，只保留一次项并令AE=一-2E(&0)P、“忆”优，0)2-4(小0)吊有7-T，、p-7-T AK-*j=-7-CTT-7-=r，口J