三维光纤光栅传感器的设计及其在建筑结构中的应用研究

发布时间：2019-09-18 19:34

【摘要】：自上世纪光纤光栅发明已来,光纤光栅传感器已取得飞速发展,逐渐成为结构监测领域炙手可热的方法之一。伴随中国经济的高速发展,以及十三五规划明确提出将重点投资基础设施领域,光纤光栅在民用建筑和轨道交通领域将会迎来更广阔的应用前景。然而,如何突破传统分布式光纤光栅监测方法,设计一种新型多维光纤光栅传感器,并利用其对结构进行有效监测,成为该领域的重要研究课题。本文对光纤光栅传感及监测技术进行了研究,并设计开发了一种新型的三维光纤光栅传感器,提出了基于新型光纤光栅传感器的监测方案,同时设计有关实验,测得了传感器的相关性能指标,对其在建筑结构中的应用进行合理展望。主要内容和研究成果如下:首先介绍了光纤光栅的相关原理和光纤光栅传感器的分类,对主流的光纤光栅传感器应用现状以及国内外光纤光栅研究和发展趋势进行了分析和探讨,了解到对于三维光纤光栅传感器的研究依旧处于相对空白的领域。对现阶段常用的封装方法进行了探讨并得出结论,设计该款新型三维光纤光栅传感器具有较大的理论及工程应用价值。其次,设计了一种新型的三维光纤光栅传感器,包括基体模型的设计和光纤光栅应变片的设计。该款新型传感器能够对三维空间进行有效测量,大大拓展了光纤光栅传感器的应用范围。同时利用实验室已有的光纤光栅监测设备及传感器加载装置,搭建了一套光纤光栅传感监测平台,并以此为基础对传感器进行标定加载实验,同时利用ANSYS等相关软件对传感器进行受力模拟,得出应变图。标定公式的推导及利用搭建系统对光纤光栅传感器的实验也是本文的研究重点之一,通过实验测试了该三维光纤光栅传感器的良好线性度,具有较好的实用价值。最后,对该款新型光纤光栅三维传感器在建筑结构中的应用前景进行了展望。该三维传感器优先应用于钢结构中,如钢桁架及框架结构等;在大型钢结构桥梁及发射塔中,该三维传感器同样能发挥其优势。总之,该款新型三维光纤光栅传感器的设计和开发,为建筑结构监测提供了一种使用高效的方法,有助于更好的利用光纤光栅传感器监测多维空间。
【图文】：

十三五规划国家明确提出将重点投资基础设施建设领域，民用建筑和轨道交通将成为新型材料尤其是钢材的重要消耗领域。以钢结构、复合材料为代表的新型材料已经逐渐替代传统的混凝土结构，如图1-2，成为建筑工程尤其是高层建筑中的关键材料。自北京奥运会以来，钢结构建筑尤其是大型钢结构建筑数量迅速增长，这些新型钢结构建筑不仅设计科学、造型美观，更具有极好的承载、抗震能力，引领了建筑界的一股新潮。图1-2 首都主要新兴钢结构建筑Fig.1-2 Major emerging capital steel structure building钢结构性能及使用率都取得了长足进步，而其存在的安全隐患也是制约钢结构建筑使用寿命的关键问题之一。大型钢结构建筑防灾减灾都会考虑结构安全问题，结构应变成为评价建筑结构健康与安全与否的首要环节之一。对既有钢结构进行科学检测与监测，能够及时发现建筑结构中出现的问题，利于本文及时提出解决方案

成为困扰工程界的重要课题。由于施工工艺和流程的不完备，以及建筑工人可能出现的操作失误，钢结构出现的问题屡见不鲜，如图1-3，这从一个侧面说明钢结构即使拥有传统建筑结构不存在的优势，其自身的安全性能仍然是本文需要重点关注的难点和重点。图1-3为钢结构节点存在问题的现场图。图 1-3 钢结构施工过程中发生的节点破坏Fig.1-3 Node failure process of Steel structure construction由于自然因素和突发事故的影响，建筑结构都会发生较大损伤或变形，因此建筑结构安全监测已经成为建筑界乃至整个社会关注的重要课题之一。传统的建筑结构监测技术已经不能满足大型复杂结构，，而针对钢结构和新型复合材料构件，其发生破坏时已不再是传统混凝土的轴向拉压，存在扭曲、翻转等复杂空间变形，如图1-4。传统的分布式光纤光栅传感器很难实现对空间的测量，对于建筑结构监测的实时性、精确性的要求
【学位授予单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU317;TP212

【参考文献】

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本文编号：2537681