长距离光纤传感技术在地铁隧道监测中的应用

分析了地铁隧道结构的变形特点,提出了BOTDR长距离光纤传感技术应用到地铁隧道结构健康监测方案中,具有全程、实时、抗干扰、耐久等优点。采用钢管外包混凝土模型模拟隧道结构,检验了长距离光纤传感系统的应变检测性能。     

光纤传感技术监测预应力曲梁钢筋锈蚀的试验

通过在预应力混凝土曲梁和混凝土表面布置了光纤,利用PP—BOTDA系统监测局部锈蚀预应力混凝土曲梁的应变分布,试验结果表明,PP—BOTDA光纤传感技术可以识别钢筋的锈蚀损伤,实现预应力混凝土结构中钢筋锈蚀的分布式监测。     

基于BOTDA的锈蚀梁钢筋应力监测及有限元分析

对简支钢筋混凝土梁进行全过程静力加载试验,采用基于布里渊光时域分析计的光纤传感技术监测钢筋应变。比较分析了钢筋局部锈蚀对应变分布的影响规律,并对简支梁的锈蚀位置进行了识别。结果表明,基于布里渊光时域分析计的光纤传感技术能够有效监测钢筋锈蚀状况。依据锈蚀钢筋混凝土本构关系,利用ANSYS大型有限元分析软件,对锈蚀钢筋混凝土梁的受力性能进行了模拟,模拟结果与试验结果一致,说明采用有限元方法分析锈蚀梁受力性能正确有效,同时也验证了试验结果。     

可用于结构健康监测的BOTDR光纤变形检出特性试验研究

应用BOTDR检测技术对用于结构物健康监测的光纤变形检出特性进行了试验研究,包括光纤锥重拉伸试验和光纤压缩与拉张试验。通过试验,分析了光纤应变区长度对检测结果的影响,确定了光纤应变检测段长度的选择区间,验证了BOTDR检测光纤压应变和张应变的有效性。     

基于光纤光栅传感技术的重载铁路预应力混凝土梁疲劳损伤试验研究

基于现有的一般测试方法,结合光纤光栅传感技术,提出了重载铁路预应力混凝土梁疲劳试验测试方法,并通过2根大比例模型梁验证了光纤光栅传感技术在预应力混凝土梁疲劳试验中应用的可行性。试验结果表明:光纤光栅传感器和FRP智能筋表现出精度高、量程大、稳定性好、耐疲劳等优点,在疲劳试验全过程中能够有效测试钢筋与预应力筋的应变;在33 t及以上轴重列车荷载长期作用下,32 m普通高度全预应力混凝土T形截面梁存在较大的疲劳开裂风险,其疲劳损伤破坏始于最外侧普通钢筋的疲劳破坏断裂,疲劳损伤开裂会引起梁的刚度明显降低和钢筋应力幅显著增加,大大缩短了梁的疲劳寿命。从安全和使用角度考虑,应严格控制该类型重载铁路预应力混凝土梁开裂及最大裂缝宽度。     

黑龙江呼兰河大桥的光纤光栅智能监测技术

对光纤光栅波长变化与应变的关系进行了理论分析,并通过材料试验和等强度梁试验加以验证;研究了光纤光栅的布设工艺,并在黑龙江省呼兰河大桥预应力箱形梁的施工过程中成功地布设了12个光纤光栅应变传感器与3个温度传感器;布设的传感器监测了预应力箱形梁张拉过程的钢筋应变历程,以及箱形梁静载试验的钢筋应变增量与分布;大桥建成后,利用布设的光纤光栅应变和温度传感器对呼兰河大桥进行了阶段性运营监测,监测了车辆荷载下的应变历程和大桥温度变化过程。监测结果表明埋入的光纤光栅可以方便地监测汽车的流量及其可能的疲劳损伤,为桥梁结构的健康诊断提供依据。一年多的考验表明,光纤光栅的稳定性与耐久性满足钢筋混凝土桥梁结构长期健康监测的要求,性能明显优于传统的电阻应变片。     

基于光纤光栅传感技术的重载铁路预应力混凝土梁疲劳损伤试验研究

基于现有的一般测试方法,结合光纤光栅传感技术,提出了重载铁路预应力混凝土梁疲劳试验测试方法,并通过2根大比例模型梁验证了光纤光栅传感技术在预应力混凝土梁疲劳试验中应用的可行性。试验结果表明:光纤光栅传感器和FRP智能筋表现出精度高、量程大、稳定性好、耐疲劳等优点,在疲劳试验全过程中能够有效测试钢筋与预应力筋的应变;在33 t及以上轴重列车荷载长期作用下,32 m普通高度全预应力混凝土T形截面梁存在较大的疲劳开裂风险,其疲劳损伤破坏始于最外侧普通钢筋的疲劳破坏断裂,疲劳损伤开裂会引起梁的刚度明显降低和钢筋应力幅显著增加,大大缩短了梁的疲劳寿命。从安全和使用角度考虑,应严格控制该类型重载铁路预应力混凝土梁开裂及最大裂缝宽度。     

基于光纤光栅传感技术的重载铁路预应力混凝土梁疲劳损伤试验研究

基于现有的一般测试方法,结合光纤光栅传感技术,提出了重载铁路预应力混凝土梁疲劳试验测试方法,并通过2根大比例模型梁验证了光纤光栅传感技术在预应力混凝土梁疲劳试验中应用的可行性。试验结果表明:光纤光栅传感器和FRP智能筋表现出精度高、量程大、稳定性好、耐疲劳等优点,在疲劳试验全过程中能够有效测试钢筋与预应力筋的应变;在33 t及以上轴重列车荷载长期作用下,32 m普通高度全预应力混凝土T形截面梁存在较大的疲劳开裂风险,其疲劳损伤破坏始于最外侧普通钢筋的疲劳破坏断裂,疲劳损伤开裂会引起梁的刚度明显降低和钢筋应力幅显著增加,大大缩短了梁的疲劳寿命。从安全和使用角度考虑,应严格控制该类型重载铁路预应力混凝土梁开裂及最大裂缝宽度。     

BOTDR分布式光纤传感器及其在结构健康监测中的应用

分布式光纤传感器与传统的传感器相比具有很大的优越性,已经成为传感器领域的研究热点。其中,基于布里渊散射原理的布里渊光时域反射计(BOTDR)是一个重要的发展方向。本文在介绍了BOTDR的测量原理的基础上,设计了一个钢筋的三点弯试验,由BOTDR检测钢筋的上、下表面的应变分布,通过与有限元计算结果的对比,说明了BOTDR可以比较真实地得到结构物的应变分布,将BOTDR用于结构变形的健康监测是完全可行的。     

分布式光纤混凝土梁应变测试研究

分布式光纤由于其长距离、分布式、实时在线监测,适用于大坝、水闸等土木工程结构的健康监测。文中在梁纵向钢筋、混凝土梁外表面分别布置分布式光纤传感器,判定混凝土梁开裂荷载及裂缝分布。研究结果表明:分布式光纤传感器能够对RC梁结构应变、裂缝进行准确的监测;分布式光纤传感器进行结构健康监测是可行的。     

Health Monitoring of Rehabilitated Concrete Bridges Using Distributed Optical Fiber Sensing

Abstract:   It is evident that a health monitoring system (HMS) holds a great deal of potential to reduce the inspection and maintenance cost of existing highway bridges by identifying the structural deficiencies at an early stage, as well as verifying the efficacy of repair procedures. As newly developed techniques, distributed optical fiber sensing (DOFS) have gradually played a prominent role in structural health monitoring for the last decade. This article focuses on the employment of two types of DOFS, namely fiber Bragg grating (FBG) and Brillouin optical time domain reflectometry (BOTDR), into an integrated HMS for rehabilitated RC girder bridges by means of a series of static and dynamic loading tests to a simply supported RC T-beam strengthened by externally post-tensioned aramid fiber reinforced polymer (AFRP) tendons. Before the loading tests, a calibration test for FBG and another one for BOTDR were implemented to, respectively, obtain good linearity for both of them. Monitoring data were collected in real time during the process of external strengthening, static loading, and dynamic loading, respectively, all of which well identified the relevant structural state. The beam was finally vibrated for 2 million cycles and then loaded monotonously to failure. Based on the bending strength of externally prestressed members, ultimate values for the test specimen were numerically computed via a newly developed simplified model, which satisfactorily predicted the ultimate structural state of the beam. And then the alert values were adopted to compare with the monitoring results for safety alarm. The investigation results show a great deal of applicability for the integrated SHM by using both DOFS in rehabilitated concrete bridges strengthened by external prestressing.     

隧道健康诊断BOTDR分布式光纤应变监测技术研究

布里渊散射光时域反射监测技术是一项新型的光电监测技术,它利用布里渊散射光的光谱技术和光时域测量技术,可对沿光纤的轴向应变进行分布式监测,并具有分布式、长距离、精度高和耐久性长等特点。首先介绍了该监测技术的原理和特点,并以南京市鼓楼隧道健康诊断为例,介绍了该技术应用于该隧道变形监测以及监测的方案,讨论了隧道内环境因素如温差和振动等对监测结果的影响,验证了监测系统的灵敏性,最后对隧道的变形监测结果进行了分析,给出了鼓楼隧道的健康诊断。研究成果表明:该技术应用在隧道安全监测和健康诊断中是十分可行的,也是十分有效的。     

Performance of a BOTDR optical fibre sensing technique for crack detection in concrete structures

Strain distribution measurements and problematic crack detection are important issues in the damage detection and performance evaluation of concrete, or reinforced concrete, structures. In recent years, the Brillouin Optical Time Domain Reflectometry (BOTDR) based optical fibre sensing technique has attracted great attention as a distributed monitoring method. Current BOTDR instruments are suitable for strain measurements over a certain distance (termed spatial resolution), but damage such as cracks in concrete structures are local. It is crucial to find an effective method to detect local damage in concrete. In this study, two basic optical fibre installation methods, overall bonding (OB) installation and point fixation (PF) installation, are proposed. Then, several unique installation methods (one-round, one-round superposition and two-round superposition) are proposed and investigated experimentally for a reinforced concrete bending beam. The efficiency of the proposed installation methods and the effect of the length of the sensing region on the measurement accuracy are also discussed. Experimental results show that the n-round superposition installation method can effectively and correctly detect the total crack width within a relatively local region. The performance of the overall bonding and point fixation installation methods with different sensing region lengths, or gauge lengths, for local crack initiation and total crack width measurement is also discussed.     

基于桥梁健康监测的振动传感器

提出一种基于桥梁监测的光纤光栅振动传感器的设计方法。监测系统是基于测量压力啁啾的光纤布拉格光栅(FBG)反射带宽和反射光功率达到实时监控的目的。该传感器是由单根FBG组成,为了模拟真实桥梁振动情况,使用简支梁模拟桥梁。将单根FBG斜向粘贴在简支梁侧面上进行模拟试验,梁的上表面中间粘贴偏心轮来产生振动。振动将作用到简支梁上造成梁弯曲。梁弯曲时,在不同厚度层上产生呈梯度分布的应变,进而引起FBG的啁啾效应,造成FBG带宽发生变化。试验结果将电阻应变片和基于FBG的振动传感器进行对比。由于FBG对反射带宽和光功率温度不敏感,传感测量完全避开了温度的交叉敏感效应。该传感器可以广泛应用于桥梁的健康监测中,具有实时性及成本低等优点。     

抗滑桩变形监测及位移确定研究

针对抗滑桩深部变形监测中存在的问题,提出应用布里渊光时域反射计(BOTDR)技术监测抗滑桩深部变形及根据监测数据确定抗滑桩的位移。通过分析抗滑桩位移与其他物理量之间的关系,结合BOTDR监测抗滑桩应变特征,建立抗滑桩位移与应变之间的二次积分函数关系,并在假设基础上,给出边界条件和解析过程。通过对浙江省诸永高速公路红岩村I号滑坡抗滑桩BOTDR监测的实施及监测结果的计算,并与抗滑桩测斜监测结果对比,对基于BOTDR的抗滑桩位移确定计算模型进行了验证。研究结果表明：通过BOTDR技术监测抗滑桩的深部变形是可行的,抗滑桩的位移确定计算模型一定程度上能够满足工程需要,并且将光纤沿抗滑桩竖向受力钢筋布置,由其监测结果对位移进行计算较为准确。最后,对基于BOTDR技术确定抗滑桩位移的光纤铺设位置选取给出建议。本研究对推动BOTDR监测技术在抗滑桩以及相关桩基工程监测中的应用及数据使用方面具有参考和借鉴价值。     

PPP-BOTDA监测钢筋混凝土结构分布式应变的试验

为了验证将PPP-BOTDA技术应用于桥梁、隧道等大型或大跨结构健康监测的可行性,试验研究了PPP-BOTDA在钢筋混凝土结构应变监测中的应用,实验结果表明,PPP-BOTDA检测的应变与应变片测量结果比较吻合,能够准确监测钢筋混凝土试验梁的应变,可以应用于大型或大跨结构的健康监测。     

结构健康监测技术在超大跨城市钢箱梁高架桥变形监测中的应用

大跨径桥梁的轻柔化及形式与功能的复杂化,使桥梁结构健康监测技术成为国内外工程界的研究热点.通过在L32联钢箱梁内部布设分布式监测光纤,构建神经网络式桥梁智能监测系统,实现城市大跨度钢箱梁桥梁受力变形状态的在线安全监测;并通过及时处理分析监测数据,随时掌握桥梁的安全状况,能够实现长期运营阶段的在线监测.     

边坡工程分布式光纤监测技术研究

 通过对边坡及其加固工程进行实时、在线监测,可掌握边坡的变形动态,对滑坡进行预警。分布式光纤传感技术与常规监测方法相比具有很大的优越性,如分布式、长距离、实时性和长期稳定性等,可满足加固工程安全监测和滑坡早期预警的要求。对布里渊光时域反射技术(BOTDR)的测量原理和优点进行介绍,设计一套基于BOTDR的新型分布式边坡监测系统,详细阐述工程应用中传感光纤的布设方法、光纤保护和温度补偿技术等。通过将传感光纤按一定的方式布设在加固工程及坡体内,并相互连接构成基于BOTDR的边坡分布式光纤监测系统,进而实现对整个边坡的远程分布式监测。以实际工程为例,对边坡分布式变形监测结果进行分析。结果表明,基于BOTDR技术的边坡分布式光纤监测系统能够准确地反映边坡及加固工程的变形情况,具有显著的优越性,可用于边坡稳定性的监测和预报。