混凝土结构健康状况监测PPT课件.ppt

混凝土结构健康状况监测 20701283李宁 2020 3 27 1 混凝土结构健康状况监测 2020 3 27 2 光纤传感器应用综述 2020 3 27 3 基于光纤传感器的混凝土结构健康状况监测 2020 3 27 4 技术出现的背景和意义 2020 3 27 5 既有结构检测与诊断的需要 2020 3 27 6 结构安全性评价的需要 经历了自然灾害 地震 台风 洪水等 人为的爆炸等破坏性行为之后 对建 构 筑物 尤其是重要结构 如医院 电厂 军事指挥中心 救援指挥中心 的健康评估是很迫切的例 1994年1月17日 美国加州Northridge大地震时 一些建筑物在遭受主震后并未倒塌 但结构已经存在了损伤而未及时发现 在后来的一次较大的余震作用下倒塌了 2020 3 27 7 混凝土技术发展的需要 混凝土结构强度高 刚度大 耐久性好的要求 决定了它被广泛应用于现代土木工程中但是 高强混凝土本身存在缺陷 随着强度的提高 混凝土的脆性明显上升配制工艺的不成熟 强度的不稳定目前最常用的回弹法和超声法测试精度不够 2020 3 27 8 光纤传感器特点 高灵敏度 抗电磁干扰 频带宽 动态范围大 可根据实际需要做成各种形状 可以用很近似的技术基础构成传感不同物理量的传感器 包括声场 磁场 压力 温度 加速度 位移 液位 流量 电流 辐射等 便于与计算机和光纤系统相连 易于实现系统的遥测和控制 结构简单 体积小 质量轻 耗能小 2020 3 27 9 国内外研究和应用现状 2020 3 27 10 MichiganStreetBridge 2020 3 27 11 Winooski水电站 2020 3 27 12 国内外研究和应用现状 2020 3 27 13 香港青马大桥 2020 3 27 14 应用举例 2003年9月 上海紫珊光电技术有限公司自主研发的光纤光栅传感应变计埋设于混凝土中对北京中关村金融中心进行静态应变测量 2020 3 27 15 应用举例 采用四层一折线的厚板斜形箱体钢柱 南北侧面为弧形扇形面 柱 梁连接为高强连接螺栓连接 整幢建筑设计新颖 独特 具有超时代美感 该建筑地面部分为全钢结构 用钢量达13500吨 2020 3 27 16 应用举例 技术概述将性能稳定 耐久性好的智能传感元件埋入或粘贴于结构中对最能反映结构安全性态的参数如应变 速度 加速度 旋转 位移 温度等进行监测评价结构的安全性 完整性 适用性与耐久性为结构的维修 报废和预警决策提供可靠的依据 2020 3 27 17 基于FBG混凝土健康状况监测 FBG结构与传感原理均匀轴向应力下的FBG传感特性分析FBG温度传感特性分析 2020 3 27 18 FBG结构与传感原理 FBG结构图 2020 3 27 19 FBG结构与传感原理 观测反射谱或透射谱 确定波长漂移值 便可判断待测量的变化值 此乃FBG用于传感时最基本的工作原理 2020 3 27 20 FBG结构与传感原理 FBG传感器采用波长编码 因此能被FBG感知的物理量一定能够引起其布拉格波长的变化 布拉格公式的数学表达式为其微分形式可表述为可见能引起折射率或格栅间距发生微扰的物理量均能引起布拉格反射波长的变化 并被FBG传感元所感知 2020 3 27 21 均匀轴向应力下的FBG传感特性分析 轴向应力作用于FBG光纤介质时 一方面使得FBG被机械性的拉伸而改变光栅常数 同时弹光效应使得FBG折射率发生变化 两者分别为式中为轴向应变 和是弹光系数 即纵向应变分别导致的纵向和横向折射率常数 为泊松比 2020 3 27 22 均匀轴向应力下的FBG传感特性分析 令 其中是有效弹光系数 由此 可得上式为FBG轴向应变下的波长变化数学表达式 它是处理FBG应变传感的基本关系式 可以看出 FBG的材料一旦确定后 FBG对应变的传感特性系数基本上为一与材料系数相关的常数 这就从理论上 保证了FBG作为应变传感器具有很好的线性输出 2020 3 27 23 均匀轴向应力下的FBG传感特性分析 令 可视为轴向应变与中心波长相关的灵敏度 由此可得上式为FBG中心波长与轴向应变的数学关系 它可以方便地将波长变化数据处理成应变结果 2020 3 27 24 FBG温度传感特性分析 温度一方面由于热涨效应使得FBG伸长而改变其光栅常数 另一方面热光效应使得光栅区域的折射率发生变化 2020 3 27 25 FBG温度传感特性分析 一定温度范围内二者均与温度的变化量 T成正比 可分别表示为其中为光纤材料的热膨胀系数 V为光纤的归一化频率 2020 3 27 26 FBG温度传感特性分析 温度变化引起的FBG波长漂移主要取决于热光效应 它占热漂移量的95 左右 记称之为热光系数 则温度对FBG波长漂移的总的影响为上式即为FBG温度变化作用下的波长变化数学表达式 它是处理FBG温度传感的基本关系式 2020 3 27 27 FBG温度传感特性分析 令 为FBG温度传感的灵敏度 由此可得上式即为FBG波长变化与温度变化