结构裂缝的分布式光纤监测方法及试验研究

结构裂缝监测是评估结构安全性的重要依据之一,分布式光纤裂缝监测技术可有效避免点式检测空间不连续造成的漏检现象,且易于实现自动化监测。该文提出了布里渊光频域分析计（BOTDA）结合斜交光纤组的裂缝监测方法,通过几何分析得到了光纤应变和裂缝宽度及开展方向的理论模型,并采用标定试验建立了由光纤测试应变反算裂缝宽度及开展方向的数值方程。同时开展了光纤裂缝传感器标距和预拉力大小对测量精度影响的试验研究,并标定了300mm标距的光纤裂缝传感器实测应变和裂缝宽度及夹角的定量关系。最后通过裂缝模拟试验对裂缝开展进行了跟踪监测,结果表明斜交光纤组能有效得到光纤与裂缝之间夹角值并实时监测裂缝宽度变化。     

采场覆岩垮落形态与演化的分布式光纤检测试验研究

为了对煤矿上覆岩层变形破坏规律进行研究,将分布式光纤传感技术应用于三维立体模型试验.在3.6m×2.0m×2.0m的三维立体模型中,模拟2个工作面开挖,沿工作面1和2推进方向铺设水平分布式传感光纤,每次工作面完成回采后用NBX-6055应变分析仪采集数据,分析工作面1,2的传感光纤布里渊(Brillouin)频移值与上覆岩层变形破断的关系.结果表明:用布里渊频移平均变化度的概念可以对工作面1,2的上覆岩层来压情况进行判别;传感光纤布里渊频移曲线反映了上覆岩层变形的位置和程度,从而得出开挖过程中覆岩的采动影响范围及岩层垮落角;传感光纤测试数据比测管位移测试更加精确.     

分布式光纤裂缝检测中损耗的数值计算方法

在分布式光纤裂缝检测技术中,为了从理论上确定功率损耗与裂缝宽度的关系,本文采用修正曲率半径的方法对经典的弯曲损耗理论模型进行了修正,扩展了经典模型的适用范围,完善了分布式光纤裂缝检测技术的力-光耦合理论。对两种光纤、两种夹角共四个工况分别进行了数值试验和模型试验,结果表明：光纤护套越薄、与缝面夹角越小,灵敏度越高;数值试验结果与模型试验结果符合较好,说明该修正理论模型是有效性,可为发展分布式光纤裂缝检测技术提供适用的理论工具。     

基于BOTDA的钢筋应力实时监测方法

提出一种将分布式应变传感光纤技术用于钢筋混凝土中钢筋应力监测的方法,能在较短施工期内将分布式光纤传感器准确埋入混凝土内部,对钢筋的应力水平进行长期实时监测,确定混凝土结构的工作水平,更好地预测结构的耐久性.分析传感光纤应变与钢筋应变的转化关系,为提高分布式传感器的空间分辨率,提出盘绕方式的光纤黏结方法,对盘绕弯曲曲率的影响进行分析.通过简支梁的全过程受力试验,比较了传统应变片和分布式传感光纤的测量结果,并对光纤不同的黏结方式进行对比,验证了该方法的可行性和有效性.     

混凝土内部应变分布式光纤实时检测方法及试验研究

布里渊散射光时域分析技术（BOTDA）是1种新型光电监测技术,可对沿光纤轴向的应变、温度进行分布式监测,并具有长距离、分布式、高精度和耐久性等特点,适用于结构的健康监测。系统介绍了基于BOTDA的混凝土内部分布式应变的检测方法,并通过试验研究标定了由气吹再灌浆技术铺设的埋入式传感光纤的工作性能,解决了工程应用中无法将长距离分布式传感光纤埋入混凝土内部的技术难题。试验结果表明,以气吹再灌浆技术铺设的埋入式光纤传感器能有效检测混凝土内部分布式应变,可应用于结构物的全面、长期、稳定、实时的健康监测。     

碳涂覆光纤用于分布式裂缝检测的实验研究

采用混凝土模型实验研究一种新型光纤-碳涂覆光纤的传感特性,测定了分布式光纤传感用于混凝土结构裂缝监测中的力-光本构关系和性能参数.表明碳涂覆光纤具有高分辨率(0.02 mm),动态范围(1～4.5 mm)明显优于普通单模光纤,从而弥补普通光纤应用于光纤裂缝传感时的某些缺陷,对在条件恶劣的情况下采用碳涂覆光纤进行工程健康监测提供了依据.     

结合Adam拟合算法的WRFG-BOTDR应变检测系统

提出了一种基于WRFG的BOTDR应变检测系统,首次结合了Adam曲线拟合算法,进行应变远程监测和关键部位应变精确拟合测量。将BOTDR和弱反射光纤光栅阵列传感部件集成到一个系统中。实现了长距离分布式应变检测、传感光纤的应变分布测量和点对点的精确应变检测。系统沿10 km的距离,BOTDR部分的空间分辨率精度良好,并且应变发生源点的布里渊频移测量误差仅为0.1%。     

MIMU辅助旋转弹丸GPS接收机跟踪环路设计

在GPS导航定位系统中,多普勒频移直接影响接收机的跟踪性能.为了克服多普勒频移的影响,对高速旋转的弹载单天线GPS接收机跟踪环路进行了研究.分析了弹丸旋转产生的复杂多普勒频移的影响因素,给出了多普勒频移的数学模型,提出采用MIMU估计多普勒频移的方法设计二阶载波跟踪环路,建立了环路的模型,并对环路的跟踪性能进行了MATLAB仿真.结果表明:MIMU辅助的跟踪环路与无辅助的跟踪环路比较,带宽窄,能有效地抑制噪声干扰,较好地实现了对旋转信号的跟踪.     

混沌激光布里渊散射的分布式光纤温度传感

提出一种基于混沌激光布里渊散射的分布式光纤温度传感方法.采用相干长度为88.53 cm的混沌激光作为光源,结合相干域反射技术,利用可变光延迟线调节参考光光程,通过检测传感光纤不同位置的混沌布里渊散射光与参考光的干涉信号,获知整条光纤的温度信息分布.搭建实验系统,研究了注入光功率与偏振态对混沌激光布里渊散射光的特性影响.实验研究待测光纤中固定点的布里渊频移随温度的变化情况,获得1.27℃/MHz的温度系数.在长度为155 m的普通单模光纤上实现空间分辨率为1.2 m的分布式光纤温度传感测量.     

基于光纤光栅阵列的金属构件应力检测研究

针对多工况环境下大型装备安全在线监测的应用需求,采用分布式光纤光栅传感阵列对金属构件关键部位受力状态进行检测,从而实现重大装备的结构安全监测。通过对影响光纤光栅传感器应变传递率的各种因素进行理论分析,确定适用于发动机连杆机构的传感测点粘贴方法。将光栅阵列粘贴在发动机连杆构件关键部位,通过不同工况的拉伸、压缩荷载实验,获取各测点的实测应力值,并与应变计、理论计算值进行比较,结果表明静荷载下实测应力值与理论值吻合度较高。由此可知,将分布式光纤光栅阵列技术应用于大型装备零部件应力应变检测是可行的。     

Fracture behavior of epoxy asphalt pavement on steel bridges based on optical fiber sensing technology and numerical simulation

The distributed optical fiber sensing technology was used to investigate the fracture behavior of the Epoxy Asphalt Mixture. The spatial distribution and variation of the strain development with crack propagation were acquired using the brillouin optical time-domain reflectometer through the loading experiments of the composite beam structure. In addition, a finite element model of the composite beam structure was developed to analyze the mechanical responses of the epoxy asphalt mixture using the extended finite element method. The experimental results show that the development of crack propagation becomes instable with the increase of the load, and larger loads will generate deeper cracks. Moreover, the numerical results show that the mechanical response of the crack tip changes with the crack propagation, and the worst areas that subjected to crack damage are located on both sides of the composite beam structure.     

箍筋对钢筋混凝土受弯构件裂缝的影响分析

收集整理了国内外大量配置横向箍筋的钢筋混凝土梁受弯性能试验的裂缝结果,研究了箍筋的设置对钢筋混凝土受弯构件裂缝位置及裂缝间距的影响。分析结果表明,箍筋对裂缝的位置具有导向作用,箍筋间距对裂缝间距有一定的影响。根据试验资料,提出了考虑箍筋影响的平均裂缝间距公式,并在我国规范GB50010-2002裂缝宽度计算模式得基础上,提出了考虑箍筋影响的平均裂缝宽度计算公式。建议公式的计算结果与试验结果符合较好。     

双圆盘含裂纹转子系统振动特性探究

初始缺陷、工作环境会导致转轴出现不同程度的裂纹。为分析裂纹对转子系统的影响,通过Jeffcott转子动力学模型和断裂力学理论建立了裂纹转子系统的有限元模型。对不同裂纹深度、裂纹角度和不同转速进行了仿真分析,并采用机械综合故障台对部分裂纹转子进行了实验研究。结果表明,裂纹的出现使系统振动响应中出现2X等高阶倍频分量,轴心轨迹出现凹陷甚至套圈现象,振动幅值也随之变大;随着裂纹的加深,系统的不稳定性逐渐增强;裂纹倾斜角度的改变也影响系统的振动特性,45°裂纹对系统的影响最大,当转速开始加快时,系统受裂纹的影响慢慢减小,时域波形趋于平稳,轴心轨迹逐渐变回椭圆形。对实验结果与仿真数据进行对比,验证了仿真及建模的结论。     

含裂隙水预制平面裂隙的启裂理论与试验验证

为研究含裂隙水预制平面裂隙的启裂特性,分别对裂隙张开和闭合两种情况进行理论分析和试验验证。详细阐述裂隙尖端应力强度因子和张开型裂隙启裂角度和启裂强度的理论计算方法,并给出压缩条件下闭合裂隙的起裂强度公式。制作了预制有张开型贯穿裂隙的水泥砂浆试件,进行双轴压缩试验。通过试验对比分析探讨裂隙尖端应力强度因子与裂隙启裂角度随裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的变化规律,以及裂隙启裂强度与水压力和侧压的关系。结果表明:含水压张开型裂隙Ι型应力强度因子随裂隙倾角的增加而增加,在裂隙倾角为75°时最容易发生Ι型(扩展型)裂纹,随水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小。剪切型裂隙ΙΙ型应力强度因子随裂隙倾角呈对称分布,在裂隙倾角为45°处取得最大值,与水压力和裂隙尖端曲率半径无关。张开型裂隙的启裂角度随着裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小;启裂强度与水压力成反比,与侧压成正比。本研究结果可为岩土工程中渗透水压作用下裂隙的启裂扩展研究提供参考。     

含裂隙水预制平面裂隙的启裂理论与试验验证

为研究含裂隙水预制平面裂隙的启裂特性,分别对裂隙张开和闭合两种情况进行理论分析和试验验证。详细阐述裂隙尖端应力强度因子和张开型裂隙启裂角度和启裂强度的理论计算方法,并给出压缩条件下闭合裂隙的起裂强度公式。制作了预制有张开型贯穿裂隙的水泥砂浆试件,进行双轴压缩试验。通过试验对比分析探讨裂隙尖端应力强度因子与裂隙启裂角度随裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的变化规律,以及裂隙启裂强度与水压力和侧压的关系。结果表明:含水压张开型裂隙Ι型应力强度因子随裂隙倾角的增加而增加,在裂隙倾角为75°时最容易发生Ι型(扩展型)裂纹,随水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小。剪切型裂隙ΙΙ型应力强度因子随裂隙倾角呈对称分布,在裂隙倾角为45°处取得最大值,与水压力和裂隙尖端曲率半径无关。张开型裂隙的启裂角度随着裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小;启裂强度与水压力成反比,与侧压成正比。本研究结果可为岩土工程中渗透水压作用下裂隙的启裂扩展研究提供参考。     

钢筋混凝土板裂缝对声发射波传播特征影响

目前利用声发射技术对混凝土结构进行裂缝定位或损伤检测时,并没有考虑已存在裂缝对声发射波传播特征的影响,这往往会使检测结果产生较大的偏差.为了探究裂缝参数对声发射波传播特征的影响,对3个不同保护层厚度的钢筋混凝土板试件进行了四点静力加载破坏试验和声发射测试,研究了裂缝深度、宽度、数量对钢筋混凝土板声发射波速和振幅衰减等传播特征的影响规律.试验和分析结果表明:裂缝深度对声发射传播特征的影响显著,声发射振幅衰减随裂缝深度增大而增大,声发射波速随裂缝深度增大而减小;声发射波速和振幅衰减几乎不随裂缝数量、宽度两参数变化而变化.在此基础上,提出考虑裂缝影响的修正波速时差定位法,进一步探讨了与采用传统时差定位法相比对钢筋混凝土损伤定位的影响,结果显示,基于修正波速的时差定位法对钢筋混凝土板进行损伤定位精度更高.     

非固结面裂隙深度对爆破振动影响试验研究

鉴于岩体中存在大量裂隙,为了探索非固结面裂隙对爆破振动效应的影响,通过建立波在裂隙岩体中传播的砂浆模型,对节理裂隙岩体进行模拟试验,研究分析了岩体裂隙深度对应力波传播规律的影响。研究表明：由于非固结面裂隙因素影响,裂隙深度对垂直方向质点峰值的影响较大,质点垂向振动峰值变小,裂隙深度和质点峰值大小不是反线性比例关系;裂隙深度对三个单独方向（垂向、径向和切向）主频率大小的影响并不明显,但其垂向频域分布主要集中在中高频,径向和切向主要集中在低频频域范围内。     

水力效应对裂缝边坡稳定性影响的上限分析

为了解决地下水位变化对裂缝边坡稳定性的影响,基于极限分析上限法及强度折减技术,将孔隙水压力以外力的形式参与能耗计算,分析了水力效应对裂缝边坡稳定性影响,重点研究了临界裂缝深度和最不利裂缝位置随地下水位、边坡坡角的变化规律。研究结果表明：地下水位、边坡坡角对最不利裂缝位置及临界裂缝深度的影响显著;当地下水位较低时,最不利裂缝随地下水位的增大逐渐靠近坡顶缘;在裂缝位置已知及裂缝深度、位置均未知的情况下,临界裂缝深度受地下水位的影响呈现出不同的规律性。所得成果为研究复杂条件下的边坡坡顶临界裂缝深度及最不利裂缝位置提供了一种新思路。