光纤Bragg光栅监测沥青混凝土应变试验

基于光纤Bragg光栅(FBG)传感原理,结合沥青混凝土路面的特点,介绍了传感器应变传感特性与设计封装结构,制作了一种用于监测沥青混凝土应变试验研究的光纤Bragg光栅传感器。通过砝码加载的方法对传感器进行标定,光纤Bragg光栅传感器的应变灵敏度系数为1.1 pm/με,封装工艺没有改变光纤光栅的应变传感特性;传感器埋入SMA-13沥青混凝土后,通过静态试验得到荷载与传感器轴向应变之间的关系为0.038 7με/N;通过ANSYS 11.0仿真传感器静态试验,得到传感器应变灵敏度修正因子η为0.928;进行了5 h动态试验,应用其监测室内车辙试验下沥青混凝土内部结构沿传感器轴向的应变,随着碾压次数的增加,轴向的应变增加。监测结果能够反映沥青混凝土内部结构应变基本变化规律,可用于沥青路面的应变监测,为道路养护决策提供了一种新方法。     

金属封装式FBG传感器设计及应变传递试验

为实现对被测基体结构应变的精确测量,设计一种基于金属封装粘贴式光纤光栅应变传感器,建立了6层结构的应变传递模型,分析推导了被测基体层、基底粘胶层、封装基底层、光纤粘胶层、保护层及光纤光栅层的应变传递机理,并通过理论分析和有限元仿真对比分析了光纤光栅长度、光纤粘胶层厚度、基底粘胶层厚度、中间层的弹性模量和泊松比等主要因素对平均应变传递率的影响.根据仿真结果,确定所设计的金属封装粘贴式光纤光栅传感器的封装材质、尺寸及粘胶层厚度.最后通过设计等强度悬臂梁作为施加载荷载体,提出应变传递误差修正系数,对上述铝合金封装粘贴式光纤光栅及裸光纤光栅传感器进行了应变传递对比试验.结果表明,裸光纤光栅和金属封装式光纤光栅传感器的平均应变传递率分别为98.25%和98.15%,与仿真计算误差在0.15%~0.25%以内.     

BOTDA在沥青混凝土铺装层裂缝监测中的应用

为了研究分布式光纤传感技术BOTDA在沥青混凝土铺装层裂缝监测中的应用可行性,进行了相关的室内以及现场试验.对埋设于环氧沥青试件中的光纤在车辆荷载和极限温度下的工作性能进行了研究;采用BOTDA对铺装层裂缝监测进行了室内模拟;在此基础上,将BOTDA应用到现场沥青路面的铺装层中,进行路面的温度、残余变形及裂缝监测.研究结果表明,埋设在铺装层内的光纤能够满足实际沥青铺装监测中的抗压性能要求和温度变化要求,紧套光纤比裸光纤更能适用于实际铺面的裂缝监测,并且将BOTDA应用到沥青铺装层裂缝监测中具有很高的精度和稳定性.     

沥青路面结构永久变形环道试验研究

为了分析厚沥青层的柔性基层和半刚性基层沥青路面在轮载作用下各结构层永久变形发生发展的规律,通过在50～60 ℃高温下进行的室内大型足尺环道路面加速加载试验,测试了不同轮载作用次数下沥青路面各结构层的永久变形.环道试验测定结果表明:对于本试验三种沥青层厚度超过20 cm的沥青路面结构,土基对车辙的影响很小,级配碎石柔性基层和水泥稳定碎石半刚性基层对车辙的影响也很小,路面永久变形主要发生在20 cm深度范围的沥青层内.     

基于光纤光栅传感技术的沥青路面永久变形计算方法

为推广光纤光栅技术在道路工程中的应用,解决沥青路面结构内部应变和温度信息的监测及分析难题,提出基于足尺寸道路监测信息的永久变形计算方法.采用修正的Burgers黏弹性模型,建立了由多类型光纤Bragg光栅传感器组合的道路监测系统,获取了各埋设层内的最大压应变、温度以及车辆的动态加载时间等参数.实例计算表明,利用光纤光栅传感技术进行沥青路面永久变形计算是完全可行的.     

光纤光栅传感器民机机载环境适应性分析方法

严苛的机载环境条件严重影响着光纤光栅应变传感器在民机结构状态监测中的长期应用,为了评价光纤光栅应变传感器的机载环境适应性,从机载环境条件出发,提出以传感特性的灵敏度系数、线性度、零点漂移、温度系数作为评价光纤光栅应变传感器环境适应性的指标体系,设计了环境试验前后基于等强度梁的传感器有效性测试方法,分别采用涂层封装与非金属基底封装两种封装形式的光纤光栅传感器,经历14项环境试验后暴露其存在问题对环境适应性进行分析,试验结果表明提出的指标体系能有效地评价光纤传感器失效状态,从而验证了该环境适应性分析方法的可行性。     

沥青路面层间粘结效果影响因素

为了保证沥青路面层间具有良好的粘结力,提高路面的整体性和耐久性,对沥青路面层间粘结效果的影响因素进行专门的试验研究.采用沥青路面层间扭转剪切试验仪,通过成型双层车辙板并钻芯,对芯样进行剪切试验,以最大剪切强度作为评价指标,对影响沥青路面层间粘结性能的沥青混合料类型、乳化沥青种类、乳化沥青洒布剂量、温度等影响因素进行了对比分析.结果表明.AC密级配沥青混合料层间粘结效果好于SMA和OGFC混合料;改性乳化沥青作为粘层比普通乳化沥青层间粘结效果要好,粘层洒布量有一最佳剂量,且这一最佳洒布剂量AC路面结构比骨架型路面结构要低;层间粘结效果随温度升高出现衰减,表明路面层间产生滑移,多发生在高温季节.     

埋入式压电阻抗传感器水泥封装试验研究

对经防水处理后的PZT(piezoelectric ceramic)阻抗传感器开展了封装试验研究.为了保证PZT传感器与混凝土结构的相容性,试验采用水泥作为封装材料,提出了一套PZT阻抗传感器的封装工艺.通过对封装前后PZT导纳(阻抗的倒数)进行测试可以发现:在水泥封装层固化期间,PZT导纳曲线向右发生漂移,峰值对应共振频率增大;经水泥封装的PZT阻抗传感器在封装层完全固化后导纳曲线几乎不再随时间变化,表明封装后的PZT传感器性能稳定,可用于实际混凝土结构的在线健康监测.     

基于RPC梁的准分布式光纤光栅传感器性能分析

目的研究内嵌预压式封装的准分布式光纤光栅(FBG)传感器在活性粉末混凝土(RPC)梁中的监测问题及评估其性能.方法以无粘结预应力RPC试验梁为载体,将5个FBG传感器串联并内嵌封装于梁内部钢绞线和钢筋中,构成准分布式传感网络,实现结构整体多点监测;对封装有准分布式FBG传感器的钢绞线进行重复张拉试验,观察传感器监测情况;对分别施加不同预应力的三根RPC梁进行两点集中加载试验,分析传感器对梁的监测情况.结果准分布式FBG传感器响应灵敏,应变-中心波长变化值拟合线基本重合,应变灵敏度与理论值非常接近,应变监测量程均能达到7 500×10~(-6)以上,可与钢绞线很好的协同变形;同一筋材各测点处FBG传感器的应变发展趋势基本一致,荷载-应变曲线图出现两处明显拐点,对应混凝土梁第一条裂缝出现和钢筋屈服时刻,与理论相符;FBG传感器监测稳定,与同测点位置的电阻应变片数据基本相同,且信号更加稳定.结论多点准分布式FBG传感器对RPC梁监测精准,稳定性好,该监测方法为预应力结构的分布式监测提供了新思路.     

沥青混凝土路面光栅应变传感器的试验研究

疲劳是沥青路面设计标准之一,沥青混凝土的疲劳失效与沥青层底拉应变值的大小相关。为了准确测得在实际车辆荷载作用下沥青层底的应变响应,采用光栅应变传感器代替传统的电信号传感器进行路面应变测量的试验研究,结果表明光栅传感器在抗振动、抗电磁干扰等方面性能较好,试验结果与路面结构和材料类型相符,能够满足路面应变测量的要求。     

FBG传感器在公路柔性基层应变监测中的应用

在山东某高速公路路段柔性基层埋设光纤光栅传感器,以进行柔性基层结构的应变场测试.根据高速公路铺设中的实际情况提出传感器埋设方案,成活率达100%.当汽车通过时,对应变场进行监测,测试结果表明:监测结果与路基所受应力相符,光纤光栅传感器用来测量高速公路柔性基层应变具有明显优势.     

基于非均布荷载的柔性基层沥青路面纵向开裂分析

为研究柔性基层沥青路面纵向裂缝的产生机理和发展规律,实测了子午线货车轮胎在不同轴重和胎压下的接地印迹与应力。借助实测的子午线轮胎接地面积和简化的非均布轮载应力,建立了轮胎-路面非均布条形荷载力学计算模型,对不同沥青层厚度的柔性基层沥青路面结构进行了三维有限元分析,计算超载和设计轴载工况下2种路面结构最大拉应力和最大剪应力值及其发生位置,并依托级配碎石基层沥青路面足尺试验路进行了加速加载破坏试验,得到了中低温环境下沥青层开裂类型、发生位置和发展变化规律,提出以轮胎胎纹间隙处的最大剪应力作为沥青路面自顶向下开裂的力学指标;基于力学分析指标和足尺试验路疲劳破坏作用次数,构建沥青路面自顶向下疲劳开裂预估模型。研究结果表明:柔性基层沥青路面最大拉应力远离轮迹带,其应力值远小于沥青混合料的容许拉应力,对沥青层自顶向下扩展的纵向开裂无影响;最大剪应力发生在路表或距路表一定深度范围内,轴载越大,最大剪应力越接近路表,水平力越大,最大剪应力越靠近轮底中心;当轮载水平力系数由0增加至0.5时,最大剪应力由轮底边缘移至子午线轮胎第2条凸纹与第3条凸纹间隙处。足尺试验路重轴载加速加载破坏试验时,柔性基层沥青路面最先发生了位于轮底中心、源自路表自顶向下扩展的间断纵向裂缝,随重复轮载作用纵向裂缝逐渐连通,裂缝的扩展方向与轮胎胎纹走向一致,印证了纵向开裂源于轮底轮胎胎纹间隙处的理论分析结果,明晰了柔性基层沥青路面自顶向下开裂的关键破坏源。     

基于POF-OTDR的混凝土坝裂缝监测复用能力分析

塑料光纤由于弥补了石英光纤容易断裂的缺点,且具有大直径、低成本、高可塑性、良好韧性等优良特性,在结构裂缝监测领域具有良好的前景.将塑料光纤应用于以混凝土坝为代表的大体积混凝土结构裂缝监测时,不仅要求其能够感知单条裂缝的产生,更需要其具有对结构多处开裂的感知和持续监测能力.为了研究塑料光纤对混凝土结构多条裂缝的监测能力,设计了一套模拟结构出现不同角度裂缝的试验装置,采用光时域反射技术进行了力光转换特性试验,并利用试验结果推导了单支塑料光纤对裂缝监测的复用能力.试验结果显示,塑料光纤对裂缝开展的感知敏感性随塑料光纤与裂缝的夹角和裂缝开度的增大而降低.理论分析表明,塑料光纤的复用能力和敏感性之间存在相互制约关系,即塑料光纤与裂缝夹角较大时,敏感性较大,而复用能力较小,反之亦然.基于以上分析,以某混凝土坝为例结合两种不同敏感程度的布设方式计算了各坝段开裂情况对光时域反射动态范围的消耗量,验证了以上结论,并对塑料光纤在混凝土坝中的实际裂缝监测能力进行了探讨和评估.分析表明,塑料光纤虽具有较好的裂缝监测复用能力,为避免出现裂缝漏检的情况,实际应用中建议首尾两端探测和分坝段布设多条塑料光纤.     

光纤Bragg光栅传感器测试技术研究进展与展望(Ⅱ):位移、加速度、索力、钢筋锈蚀、裂缝测试

综述了土木工程中用于结构应变和温度测试的各种光纤Bragg光栅传感器的研究现状,对其存在的问题进行了分析并指出其发展方向.从传感器制作方面分类介绍了管式、基片式和嵌入式封装应变传感器,增敏型和不受应变干扰的温度传感器,应变和温度同时测量传感器的最新成果.并概括了各种传感器的基本原理,总结了其优点和不足.通过对光纤光栅传感器特点和土木工程结构测试需求的综合分析,指出光纤光栅传感器在混凝土中的埋入技术及光纤光栅传感器的实用性、在结构中的优化布置、耐久性和长期稳定性等问题还需要进一步研究.     

光纤Bragg光栅传感器测试技术研究进展与展望(I):应变、温度测试

综述了土木工程中用于结构应变和温度测试的各种光纤Bragg光栅传感器的研究现状,对其存在的问题进行了分析并指出其发展方向.从传感器制作方面分类介绍了管式、基片式和嵌入式封装应变传感器,增敏型和不受应变干扰的温度传感器,应变和温度同时测量传感器的最新成果.并概括了各种传感器的基本原理,总结了其优点和不足.通过对光纤光栅传感器特点和土木工程结构测试需求的综合分析,指出光纤光栅传感器在混凝土中的埋入技术及光纤光栅传感器的实用性、在结构中的优化布置、耐久性和长期稳定性等问题还需要进一步研究.     

沥青混合料力学性质应力依赖性研究

为客观地反映沥青路面的力学行为,需要对温度、频率及应力状态这3个因素的影响进行综合考虑.通过对沥青混合料不同条件下动态模量试验结果的分析,表明沥青混合料的力学性质具有应力依赖性,尤其在温度较高时更为明显.以Sigmoidal函数为基础,结合Hirsh模型、k-θ模型和Arrhenius函数建立了沥青混合料动态模量应力依赖性的模型.根据试验结果确定了其参数,并对其进行了有效性验证.该模型将温度、频率及应力状态对沥青混合料力学性能的影响归入统一的数学公式中,可以方便地用于路面结构分析.利用非线性三维有限元对典型沥青路面结构进行了分析,得到了路面结构内的应力状态对沥青层动态模量分布的影响规律.     

基于梁板检测的光纤传感器协同变形研究

光纤传感技术以其良好的耐久性和稳定性被广泛应用于道路工程和桥梁工程的健康监测中。通过对光纤传感技术在桥梁检测中的技术原理、方法优势进行研究,发现由于光纤传感器本身模量突变的原因,采集的信息与结构面的真实信息存在较大差异。因此对检测结构面与光纤传感器之间的协调变形性能的研究成为应用的前提和基础。通过ABAQUS建立变形评价的数值模拟模型,对沥青混凝土梁板结构中应变值与光纤传感器的实测应变比较,得出了光纤光栅应变传感器实测应变的有效性,为光纤传感器应用奠定理论基础。     

基于环境温度变化的混合式基层沥青路面结构疲劳损伤分析

为了分析环境温度变化时混合式基层沥青路面结构的疲劳损伤特性,拟定3种混合式基层沥青路面结构,充分考虑广西河池地区各月温度变化以及土基回弹模量的季节性变化,运用ABAQUS软件对2种层间结合状态的4种路面结构方案的温度场、应变响应和疲劳损伤进行计算分析,通过试验路面温度传感器、应变片的监测结果和疲劳损伤模拟模型计算沥青层的疲劳损伤。研究结果表明:在不同月份温度下,沥青路面应变响应差异大,随着气温升高,层底弯拉应变增大;各季节疲劳损伤存在明显差异,高温季节产生的疲劳损伤所占比例较大;以水稳碎石为底基层,级配碎石为基层及大粒径沥青碎石混合料作下面层的混合式基层沥青路面结构方案B,温度敏感性最小,疲劳损伤最小。研究结果可为选择良好的混合式基层路面结构提供思路。     

高性能碳化棉纤维柔性压力传感器制备与应用

提出了一种基于碳化棉纤维的高性能柔性压力传感器．器件采用铜薄膜叉指电极结构,并利用碳化棉纤维作为压敏层,经三明治式封装而成．碳化棉纤维的疏松多孔结构使传感器具有高灵敏度(1.553 kPa-1)、宽线性范围(0～20 kPa)、高重复性以及出色耐用性(超过8 000次循环),并成功应用于微小质量测量、脉搏跳动检测与手指运动感知等多种实际场景,为低成本柔性压力感知器件的研究提供了新思路．     

光纤光栅传感器及其在结构健康监测中的应用

依据结构健康监测的基本概念,阐述了光纤光栅的构造和传感原理,列举了采用光纤光栅封装传感器的三种工艺,介绍光纤光栅传感网络系统原理以及光纤光栅传感器发展历程和在健康监测中的应用。