论文部分内容阅读
在水利、给排水、海河岸堤坝防护、桥梁、海洋平台等工程中,水流的冲刷对结构造成破坏的现象相当普遍。结构的地基往往由于水流的冲蚀而使得其强度降低,给结构的安全带来隐患。冲刷是导致桥梁水毁的一个主要原因,世界各国每年都有许多桥梁因洪水的冲刷而毁坏,而且因为水流的冲刷都发生在水下,一般很难及时发现。冲刷深度的监测对于水下结构的安全非常重要,因此,最近几年,学者们积极致力于开发各种传感器来监测冲刷深度。在前人的研究基础上,本文基于分布式长标距光纤光栅(FBG)传感技术,开发了一种新型简单的冲刷传感器,并从应变变化和频率变化两个方面验证冲刷传感器监测河床冲刷深度的性能。主要研究内容如下：(1)简单介绍了光纤光栅传感技术的传感原理、长标距FBG传感器的制作工艺和封装方法,并对封装后的长标距FBG传感器进行了基本性能的测试。封装后的长标距FBG传感器能够适用于恶劣的工作环境且具有良好的动静态测试性能。(2)利用长标距FBG的传感原理,开发了一种新型简单的冲刷传感器。当冲刷深度监测的概念是基于量测埋入河床中纤维增强复合材料(FRP)直杆的应变变化时,FRP直杆上须粘贴一个长标距FBG传感探头阵列。水流使得弹性FRP直杆在河床与水的交界处应变变化区别较大,通过河床上方和下方传感器中FBG的波长特征可以判断河床与水的交界面的高度,从而得出冲刷的深度。当冲刷深度监测的概念是基于量测埋入河床中FRP直杆的频率变化时,FRP直杆上只须粘贴一个长标距FBG。河床经过冲刷后,弹性FRP直杆露出河床部分将增大,进而导致直杆振动特性如自振频率随之改变。通过测试传感器的时程信号计算其固有振动频率,不仅可以判断有无冲刷,还能确定冲刷深度。(3)通过演绎推导,以附加质量法为基础,得出了水下结构与水耦合振动自振频率的求解公式。利用有限元软件ANSYS对水下结构进行模态分析,得出水下结构自振频率比无水时要小,水对其影响不可忽略。但是水下直杆的自振频率与悬臂长度的关系变化趋势和无水时是一致的。(4)通过水槽试验,对新开发的冲刷传感器进行了测试。水槽中填满黄沙模拟河床,试验通过水泵使水在水槽中循环流动,模拟河床的冲刷,应用新开发的冲刷传感器对某一时刻的冲刷深度进行监测。通过试验可以证明,基于两种监测概念开发的冲刷传感器均具有对河床冲刷进行实时监测的能力。