预应力碳纤维板耦合大量程光纤光栅的设计及试验（论文）.pdf

·22· 预应力碳纤维板加固技术由于碳纤维的高比强度,耐腐 蚀等优异性能和其自身闭合裂缝 ,提高刚度等主动加固的优 点，具有较好的桥梁加固应用前景。而光纤光栅传感技术以 其光纤体积小，易植入被测物体 ；抗电磁干扰，传输损耗小， 精度高，易组网等优势，成为万物互联的时代背景下，具有 土木工程结构监测应用潜力的交叉学科技术。将两者的优势 相结合，实现加固监测一体化，可为旧桥的加固施工及其加 固后桥梁的服役情况提供可靠的评估依据，实现受力状态监 测及事故预警，是解决旧危桥加固评估及状态监测的科学 方案。 实际工程中，根据 GB 50367—2013《混凝土结构加固设 计规范》中推荐性条款 11.4.2，预应力碳纤维板张拉控制应力 宜在60%~70% 抗拉强度设计值 ff以上，以达到较高的材料利 用率。相应的光纤光栅至少需要达到约 8 500 με 的量程。但目 前常用的光纤布拉格光栅根据制造技术前期试验，光纤裸光 栅拉伸量程约为6 000 με，通过胶层封装后可提升至 7 000 με 左 右，但是仍不足以完全保证满足张拉控制应力在 60% ff以上的 要求。即使在不考虑光纤光栅封装拉伸时造成的量程损失以及 长期大变形下有效量程的折减，目前的光纤光栅的拉伸量程 仍不能完全满足预应力碳纤维板张拉及后期使用要求。因此， 在工程中易由于量程储备不足而出现光纤光栅失效的情况。 在增大光纤光栅量程方面，碳纤维板埋入式封装光纤光 栅难以像基片式封装光纤光栅一样设置减敏装置来增大量程。 因此，在不改变碳纤维板受力及传感性能的前提下，通过耦 合技术手段提高其应变测量量程是经济有效的方案。朱万旭 , 覃荷瑛等采取对光纤预压和倾斜耦合的方式将光纤光栅埋入 钢绞线中间丝中，提高有效应变量程到9 000 με 以上，解决了 体内索应力难以监测的问题，并将该倾斜复合技术应用于碳 纤维板中。Kim J M使用聚酰亚胺管保护聚酰亚胺涂覆层光纤 光栅，再将其固定在用于置换钢绞线中间丝的钢管中，可大 幅提高光纤光栅的量程至 17 300 με。然而加保护管和设斜槽都 会降低碳纤维板有效截面面积，故预压光栅埋入碳纤维板凹 槽中的方法具有较好的适用性。 
'厨 ? 1.1 ???????+P 8 光纤布拉格光栅是较为常用的光纤光栅，其基本原理是 在纤芯上刻录特定栅距的相位光栅，通过特定栅距光栅反射 对应的中心波长，其有效折射率和光栅周期于中心波长的关 系满足 ： Δ λB=2neffΔΛ （1） 式中 ： λB为中心波长 ； neff为光栅有效折射率 ； Λ为光栅 周期。 被测物体的应变传递到栅区，引起有效折射率和光栅周 期的变化，其对应的中心波长也相应变化。不考虑温度的影 响下，应变 Δε与中心波长偏移量 ΔλB之间存在线性关系 ： ÄÅ （2） 式中 ： Pe为有效光弹系数 ； Kε为应变灵敏度系数。 1.2 ' ?????????? 粘结胶层和光纤涂覆层是影响纤芯光栅感知碳纤维板实 际应变的主要结构层，如图 1（a）（b）所示。由于光纤涂覆 层和粘结胶层的剪切变形，要获得结构真实应变，光纤光栅 所测得应变需要对这 2部分的应变传递进行修正。采取以下 假 定 ：（ 1）各材料均为线弹性，且仅受轴向均匀拉应力 ；（ 2） 胶体与光纤光栅和碳纤维板粘贴界面不存在滑移 ；（ 3）忽略 除粘结胶层和光纤涂覆层以外的结构层剪切变形。 ［摘 要］ ?s?????? hQ???台?
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