表面粘贴式光纤光栅传感器拉索索力监测技术研究

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斜拉桥以跨越能力强、线形美观、经济性强等优点已成为大跨度桥梁的主要桥型之一,拉索索力实时监测是反映斜拉桥拉索运行状态的重要指标。智能拉索是获取斜拉索状态的一种重要发展方向,目前国内外提出的智能拉索方案都有其局限性,无法满足对拉索进行长期、稳定监测的需求。本文提出在拉索中植入光纤光栅传感器,直接测量拉索应变的方式获得拉索索力,这种方式在耐久性和可靠性方面具有显著的优越性,能够使拉索成为具有自感知能力的智能拉索技术。本论文以拉索索力监测为应用背景,采用理论推导、有限元仿真与试验相结合的方法,对高强钢丝表面粘贴光纤光栅传感器(FBG传感器)的应变传递规律及相关影响参数进行分析,结合正交试验获得胶层尺寸参数最优组合,并分析半平行钢丝拉索扭角、拉索规格对应变传递效率的影响。主要研究内容如下:(1)建立了表面粘贴式FBG传感器应变传递力学模型,基于剪滞理论(shear-lagtheory),推导了FBG传感器应变传递理论公式及最小粘贴长度,研究了光纤光栅应变传递规律及胶层几何参数、物理参数对FBG传感器应变传递效率的影响。(2)运用ANSYS Workbench软件对表面粘贴式FBG应变传感器进行了有限元仿真,基于控制变量法,研究了粘贴长度、粘贴厚度、粘贴层上下部厚度、胶层弹性模量、胶层泊松比对FBG传感器应变传递效率的影响,并将有限元仿真结果和理论推导结果进行对比,验证了理论推导的有效性。(3)使用MTS材料试验机对表面粘贴FBG传感器的高强钢丝进行静力拉伸试验,研究了FBG传感器的线性度、重复性及应变传递效率。基于正交试验分析方法,得出了最优胶层参数组合,并结合理论推导、有限元仿真验证了三者的相关性。(4)以剪滞理论(shear-lagtheory)为基础,推导了半平行钢丝拉索最外层钢丝表面粘贴光纤光栅传感器应变传递理论公式,并基于胶层尺寸参数最优组合,采用理论推导与有限元仿真相结合的方式,研究了拉索扭角、拉索规格对应变传递效率的影响,并拟合了光纤光栅传感器与半平行钢丝拉索间的应变传递系数。
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