光纤光栅传感器下工程结构健康监测系统

结构健康监测(简称SHM)是指利用现场的无损传感技术,通过包括结构响应在内的结构系统特性分析,达到监测结构损伤或退化的目的。传统传感器下的健康监测系统普遍存在着稳定性与耐久性差、抗干扰性(包括电磁、噪音、光强)差、布设工艺复杂、成活率低等缺点,也是土木工程界迫切需要解决的难题。本文将光纤光栅传感器引入健康监测系统的传感系统,为解决这一难题指明了新的思路,并在实践中得到有效验证。     

采用纤维布雷格光栅感应系统进行混凝土箱梁足尺试验

由于现代铁路线路的高压电力反馈系统加强,电磁干扰成为铁路桥结构监测的一个重要问题。纤维光感系统免于电磁干扰,已成功应用于土木工程领域。本文提出基于感应系统的纤维布雷格光栅在预制混凝土箱形铁路桥上的应用。为确定其动态和静态性能,制作20m长足尺预制混凝土箱形铁路桥梁并进行试验。试验程序涉及两个阶段：第一阶段,采用数控试验台确定试验的动力特征,结构外部安装了基于加速器的纤维布雷格光栅：第二阶段涉及度量破坏前的非线性静态性能,沿钢筋长度方向嵌入多维纤维布雷格光栅应变传感器,测量应变波的变化以监测内部应变。对采用多维纤维布雷格光栅应变传感器测量的值与电信号传感器测量的值进行比较,结果表明,纤维布雷格光栅感应系统能提高现代铁路桥结构监测的效率。     

光纤光栅传感器在细石混凝土结构中的应用研究

光纤光栅传感器以其抗电磁干扰、质轻、耐腐蚀、信噪比高、易组成传感网络等优良的传感特性,成为近年来迅速发展的一种新型智能传感器,在结构试验与工程监测领域中有广阔的应用前景.本文首先介绍了光纤布拉格光栅应变传感器的测试原理以及光纤光栅传感技术在检测细石混凝土结构时采用的埋入工艺,并在上海旗忠网球中心整体静力试验中埋入了光纤光栅传感器,用于对细石混凝土模型受力全过程的应变测试.试验结果表明,光纤光栅传感器测试精度高,稳定性好,便于修复,完全能适用于细石混凝土的结构测试.     

基于FBG传感的瀛洲大桥结构健康监测系统研究

基于光纤Bragg光栅传感技术,对洛阳瀛洲大桥结构健康监测系统进行了研究。介绍了瀛洲大桥健康监测系统的组成和各系统的功能,提出了基于FBG传感技术的长期监测与周期检测结合的监测策略,根据大桥构件在结构安全中的重要性和易损性确定了监测内容,重点对于大桥关键受力区一拱脚倒三角区进行了有限元分析,在此基础上进行了FBG传感布置。最后对于大桥运营结构预警与评估实施方法等进行了探讨。     

光纤传感器在土木工程健康监测中的应用

总结了当前土木工程结构健康监测的研究和发展趋势。重点回顾了光纤传感器在各种主要土木结构中的健康监测,包括建筑物、桩、桥、管道、隧道和大坝。描述了光纤传感器的三种用途。最后,讨论了在土木结构健康监测中封装和实现光纤传感器存在的问题和有前途的研究方向。     

Monitoring of rocks using smart sensors

This paper examines the feasibility of employing the new generation fibre optic and piezoelectric sensor systems for comprehensive monitoring of rocks, covering load history monitoring/retrieval as well as damage assessment. A detailed experimental study was conducted on the Bukit Timah granite rock samples obtained from a cavern site in Singapore. The rock specimens were subjected to cyclic loading and their conditions were continuously monitored using such smart sensors. Optical fibres with multiplexed fibre Bragg gratings (FBGs), surface bonded on the rock specimens, were used as strain and temperature sensors. Their performance was compared with the conventional electric strain gauges (ESGs). Piezo-electric ceramic patches made up of lead zirconate titanate (PZT) were employed as piezo-impedance transducers for detecting the onset of damages. These typically employed high frequencies of the order of kHz to extract impedance information of the specimens. Typically, the piezo-impedance transducers detected cracks even before they reached macroscopic dimensions. The results of this experimental study demonstrate the superior performance and cost-effectiveness of the new generation smart technologies as compared to the conventional sensor systems for monitoring rock-structures such as caverns and tunnels.     

耐久性试验中组合翼型结构的健康监测

将光纤传感器应用于翼型结构,以此进行翼型结构耐久性的长期监测。耐久性试验包括服务于飞行器寿命设计的失重试验和两周期疲劳荷载试验。7个光纤传感器被安装在试件表面,监测冲击损伤和疲劳荷载对构件的影响。通过传感器输出的光谱变化可以判定出冲击损伤程度。疲劳试验中的应变变化可以通过分析传感器输出的光谱中波长的变化测量出来。试验板的损伤发展过程同样可以通过无损检测技术测量出来（利用声发射传感器,它是一种超声波和脉冲扫描仪）。与无损检测结果相比,光纤传感器可以输出翼型结构完整而又相当重要的监测信息。结果表明,光纤传感器具有对大型混合结构进行长期监测的能力。     

现有铁路钢桥应变监测系统评估

现有铁路线中旧式钢桥所用的是目前已不再使用的材料,常常会出现老化问题,使用中常遇到与设计荷载完全不同的荷载情况。因此,应变监测是保障结构性能和进行安全评估的重要工具。介绍并讨论了安装在Trezói大桥的应变监测装置系统,用该系统评估铁路钢桥结构。采用两种不同的传感器(电子传感器和光纤传感器)进行结构性能的现场观测。所设计的电子监控系统安装在桥梁上,为研究项目提供试验数据,光纤光学显示器系统用于评估系统的可靠性以确保其安全,并对试验点的测量值进行筛选。对结果进行分析,描述桥梁特性和性能,讨论两种传感器在获得桥梁使用情况和疲劳评估相关数据方面的局限性,也即关注其精确采集结构的静态与动态响应及频率的能力。     

光纤布拉格光栅传感器用于混凝土结构施工监测

采用与土木工程施工特点相适应的操作工艺与保护方法,将自行研制的光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器与温度传感器埋入一幢5层钢筋混凝土结构的大楼中,用以监测该建筑在施工过程中梁、柱的应变与温度变化.研究结果表明,埋入的FBG传感器可以方便地监测施工过程中混凝土结构内部温度与应变的变化,为混凝土结构的健康监测提供依据;自行研制的FBG传感器传感性能良好,成活率高,寿命长,为基于FBG传感器长期的混凝土结构健康监测奠定了基础.     

大数据时代结构工程发展新趋势的几点思考

土木工程支撑着基础设施及公共和民众住房的建设,土木工程的建设和服役过程中都会产生大数据。如何有效利用这些大数据,为土木工程的学科发展和工程决策提供依据,这是工程师和科学家都在思考的问题。本文从着重针对土木工程中的大数据如何影响结构工程的问题,结构的荷载估算、结构承载能力与破坏准则、震害调查、结构健康监测、云计算等几个方面,提出了几点思考。     

桥梁健康状况监测系统研究现状及对策分析

首先对桥梁健康监测系统的构成、发展和研究现状进行了回顾和总结,在此基础上指出了目前桥梁健康监测系统研究存在大量监测原始数据的采集和传输缺乏效率、传感器性价比不高、桥梁结构损伤诊断理论方法有待提高等问题,并提出了相应的研究对策,研究结果可对桥梁健康监测系统的进一步完善有所帮助。     

光纤光栅传感器在上海旗忠网球中心施工监控中的应用研究

介绍光纤布拉格光栅传感器的测试原理以及混凝土结构中的埋入工艺.在上海旗忠网球中心双向预应力混凝土看台结构施工期间,将72个光纤光栅传感器埋设结构中,进行了为期8个月的现场施工监控.结果表明:光纤光栅传感器测试值和理论计算值吻合良好;光纤光栅传感器性能稳定、精度高、抗电磁干扰能力强、存活率高,很好地实现了施工长期监控;上海旗忠网球中心看台结构在施工全过程中受力性能良好.     

大型桥梁结构健康监测的研究进展

桥梁管理局已经认识到,对大型桥梁实行长期结构健康监测的意义在于保证结构和运行安全,发出损坏和老化的早期预警可以避免昂贵的维修甚至灾难性的坍塌。对大型桥梁建立长期监测系统,一方面是在桥梁正常使用期内评估结构完整性、耐久性、可靠性的信息,制定最佳的维护计划,保证安全运行。     

基于光纤光栅传感技术的网壳滑移法施工监测

网壳结构滑移施工法具有费用低、速度快、无需大型设备、可与下部结构平行作业的特点,是一种先进的施工方法．对网壳结构滑移施工全过程进行现场监测,具有重要意义。论文采用光纤布拉格光栅传感系统,通过准分布方式,对某81m跨度预应力柱面网壳干煤棚结构的累积滑移法施工中的结构受力进行全程监控,在确保工程安全施工基础上分析了施工中非理想因素对网壳结构滑移施工的影响。     

自动全站仪动态基准测边网变形观测的研究

由于大型建筑的空间结构复杂,在利用自动全站仪对其进行实时变形监测时,常常不得不将全站仪站点布设在变形区内,这必然导致测量精度急剧下降。针对这一问题,根据变形区通视角度较小的特点,提出了一种新的观测方法。该方法的基本思想是：在变形区布设多台全站仪使其与稳定基准点构成测边网,在每台全站仪顶部手柄处安装反射棱镜,使相邻两台全站仪之间能够相互通视。在每次观测前,首先进行动态基准测边网观测,通过测边网平差解算各个动态基准点坐标;若动态基准点的移动相对于前期坐标小于设定阈值（根据变形体的变形范围设定）,分别以各个动态基准点处全站仪为测站进行其他观测点的变形观测。若大于阈值,则利用动态基准补偿算法求解观测点坐标。观测实验证明,该方法能够满足一般应用要求,直接更新测站坐标方式的中误差在3mm以内,而动态基准补偿方法的中误差在5mm以内。     

分布式光纤光栅传感监测在盾构穿越蓄水库中的应用研究

由于蓄水库的特性,使用传统方法直接监测底板、侧壁的开裂和渗漏情况短期内往往无法满足监测的时效性、准确性和分布性要求。本文采用分布式光纤光栅传感器进行盾构穿越期间蓄水库侧壁应变的不间断监测,并对监测结果进行分析,为盾构穿越既有构筑物提供一种实时可靠的监测方法,为盾构施工安全提供保障。     

Utilizing a novel fiber optic technology to capture the axial responses of fully grouted rock bolts

Rock bolts are one of the primary support systems utilized in underground excavations within the civil and mining engineering industries. Rock bolts support the weakened rock mass adjacent to the opening of an excavation by fastening to the more stable, undisturbed formations further from the excavation. The overall response of such a support element has been determined under varying loading conditions in the laboratory and in situ experiments in the past four decades; however, due to the limitations with conventional monitoring methods of capturing strain, there still exists a gap in knowledge associated with an understanding of the geomechanical responses of rock bolts at the microscale. In this paper, we try to address this current gap in scientific knowledge by utilizing a newly developed distributed optical strain sensing (DOS) technology that provides an exceptional spatial resolution of 0.65 mm to capture the strain along the rock bolt. This DOS technology utilizes Rayleigh optical frequency domain reflectometry (ROFDR) which provides unprecedented insight into various mechanisms associated with axially loaded rebar specimens of different embedment lengths, grouting materials, borehole annulus conditions, and borehole diameters. The embedment length of the specimens was found to be the factor that significantly affected the loading of the rebar. The critical embedment length for the fully grouted rock bolts (FGRBs) was systematically determined to be 430 mm. The results herein highlight the effects of the variation of these individual parameters on the geomechanical responses FGRBs.     

A simple quantitative approach for post earthquake damage assessment of flexure dominant reinforced concrete bridges

Conventional methods for displacement based condition assessment of bridges solely rely on the maximum level of displacements experienced by the piers, and do not take into account the accumulated damage that result from cyclic loading. More advanced approaches take this into account by considering the structural damage as a linear combination of the normalized maximum displacements and hysteretic energy. Computation of the dissipated hysteretic energy requires monitoring of the lateral forces during the seismic events, which are not as practical as monitoring bridge pier deformations. This article reports on the development of a simple damage assessment method that considers the effect of cyclic loading on the state of damage and it is merely based on monitoring the bridge pier deformations. A fiber optic displacement serial array was designed for measuring the crack opening displacement reversals at the plastic hinge areas.     

路用光纤光栅温度传感器标定方法对比分析

路用光纤光栅温度传感器的温度灵敏度受其所测试的介质影响,对其进行试验标定是实现沥青路面绝对温度准确测试的前提条件.首先分别基于水浴和沥青混凝土试件环境对光纤光栅温度传感器波长飘移进行实测,获得反射波长与温度的对应关系;而后通过试验数据的线性回归分析,得到不同介质环境下光纤光栅温度传感器的标定公式,并对比分析同一传感器在水浴和沥青混凝土试件中的温度传感特性及差异产生的原因.结果表明：同一传感器在不同介质环境中的温度灵敏度是不同的,基于沥青混凝土试件环境的传感器标定方法更符合工程实际,具有一定的实用价值.     

后张预应力钢筋混凝土桥梁结构健康监测基准的发展

建立长期结构健康监测基准和评估体系十分必要。通常,现场试验数据和有限元模型是建立基准的两个关键手段。首次引进伸缩支承的概念,建立包括温度变化的弯曲后张预应力钢筋混凝土桥梁基准现场数据库。数据库来源于未破坏试件的全年监测数据。通过有限元模型建立监测基准。对有限元模型修正的方法,包括材料性能的标定、弹性支承单元的使用、箱梁Mindlin板单元被最新的裂缝Mindlin板单元的置换以及桥的使用状态进行细化。通过有限元模型得到的基准结果与现场测试的基准结果非常吻合。所提出的结构健康监测基准能够进行实时破坏监测,建立监测技术以及进行状态评估。