基于FBG宏应变空间拓扑阵列的组合梁桥整体性态演化与监测研究

The FBG (Fiber Bragg Grating) sensing technology has become the first choice of smart sensing approach for structure health monitoring. Some distortion may occurs in the results of the global monitoring by the traditional FBG because of the infeasible in mass distribution, distributed location dependent on the prediction, no sensing on the information in the uncovered region. The macro-strain sensing technology of FBG enables to obtain enough characteristic information and monitor the ture performance of bridge structure with the potential advantages of the sensing range amplified by distributed grating and the spatial array to cover the whole structure by a small mount of sensors. There is uncertain in the sensing characteristic and mechanism of macro-strain on account of the possible non linear behavior resulted from the larger sensing region. It is still lack of further study on how to analyze the performace of whole structure by the data from spatial array of macro-strain measurement. In this project, in order to reveal the sensing characteristic and mechanism, the strain transfer models and correction methods will be put forward. The spatial topology method of macro-strain sensing array will be studied by comparing different type of sensing arrays and the test of the large-scale composite girder bridge. Based on the measured macro-data, the extraction and analysis method for the effective characteristic information will be carried out, so does the model reconstruction to implement the performance deduction of whole composite girder bridge. The method on macro-strain modal will be settled to be applied in the monitoring of performance parameters. All these will provide the scientific basis for the application of macro-strain sensing technology in health monitoring of bridge structure.

FBG(Fiber Bragg Grating)传感技术是结构健康监测首选智能传感手段。传统FBG传感器无法实现海量分布、分布位置依靠预测且对未覆盖区域无法感应，因此整体监测结果可能失真。FBG宏应变传感技术通过分布式光栅扩展测量范围，可用少量传感器形成空间分布阵列覆盖结构整体，获得足量特征信息，监测桥梁真实性态。但宏应变测量范围较大，内部可能存在非线性，其传感特性及机理的研究尚不明确，如何应用宏应变空间阵列数据分析结构整体性态尚缺乏深入研究。 本项目拟建立宏应变测量的应变传递模型以及修正方法，揭示宏应变传感特性与机理；建立不同形式空间分布传感阵列，进行组合梁桥大比例模型试验，研究传感阵列的空间拓扑方法；基于监测数据，研究宏应变数据有效特征信息的提取和分析方法，实现模型重构，演化组合梁桥的整体性态；建立基于宏应变模态的结构性态参数监测方法。为宏应变传感技术在桥梁健康监测的应用提供科学依据。

传统点式光纤布拉格光栅FBG传感器无法实现海量分布、分布位置依靠预测且对未覆盖区域无法感应。FBG宏应变传感技术通过分布式光栅扩展测量范围，可用少量传感器形成空间分布阵列覆盖结构整体，获得足量特征信息，监测桥梁真实性态。而宏应变测量范围较大，内部可能存在非线性，其传感特性及机理的研究尚不明确，以及如何应用宏应变空间阵列数据分析结构整体性态尚缺乏系统研究。项目从三个方面展开研究：. 1. 项目考虑宏应变传感器测试时标距长度、变形状态、封装方式、与基体材料界面连接方式对宏应变传感特性的影响等因素，研究了FBG宏应变传感特性及机理。研究结果表明，单个宏应变传感器随着标距的增加，损伤识别的效率会降低，考虑宏应变标距长度和结构长度的关系，宏应变标距选择存在一个区间；宏应变传感器制作过程中，由于施加了预应力，会缩短测试量程，使其在大应变测试时受到限制；封装方式的不同对测试值影响有差异；埋入式宏应变传感器的测试值相比表面式的偏小；宏应变与点应变的应变传递在一定范围内呈良好线性关系。. 2. FBG宏应变传感阵列的空间拓扑方法主要研究了平行拓扑方法和交叉拓扑方法。研究结果表明，平行拓扑方法可以实现对主弯单元平均曲率、中和轴和平均裂缝宽度等参数的监测目的；交叉拓扑方法可以实现对受剪单元平均剪应变、斜裂缝的出现和发展位置、监测处的剪力等监测目的。. 3. 进行了静载和动载的加载试验。研究各种宏应变传感阵列数据的提取和处理方法，研究并得到包括损伤后曲率变化、中和轴变化、平均剪应变和动力特性在内的结构内部性态参数，以及包括车速监测与识别、线形监测在内的外部参数的识别方法，完成基于宏应变模态的整体性态监测。. 本项目通过一系列理论分析和试验，得到了一些实用的结果，为宏应变传感技术的应用提供了一定的科学依据。同时，空间拓扑方法也体现了有限单元监测的一种思想。