基于光纤Bragg光栅应变传感器的量测锚杆研究

论文摘要

作为土木工程中重要的支护形式之一,锚杆加固通常应用于公路、铁路、水利、矿井等工程中的高陡边坡和巷道承受岩土体压力的加固结构。预应力锚杆是在结构承受外载荷前,预先对外载荷下的受拉压区施加一定的压应力,以改善结构的性能。随着时间推移锚杆安装完成后岩土等被锚固结构自身的风化作用和锚杆自身的受力,蠕动变形和应力松弛都会改变锚杆的受力状态,特别是被锚固结构压缩变形,会使锚杆张拉完成锁定后的预应力损失,为了避免重大事故,因此需要对锚杆的受力情况进行长期安全监测。目前多使用传统电式测量方法测量轴向拉力,通过测量来评价锚固性能,这类方法易受电磁干扰,信号传输距离较短。本文利用光纤Bragg光栅作为传感元件,对锚杆的锚头和杆体拉力的测量进行了理论分析和实验研究,选用轮辐式测力结构和应变管传感结构,对型号为HRB335屈服强度为335 MPa,长度490mm,内外径25/16 mm,截面积A=290mm2的中空热轧带肋螺纹钢锚杆分别利用万能试验机和压力试验机进行锚头及杆体拉压试验。主要研究内容如下：(1)在锚头处锚杆整体拉力测量通过轮辐式测力结构,辐条在压力作用下产生剪切变形,从而引起辐条表面的光纤Bragg光栅中心波长移位,建立光纤Bragg光栅中心波长位移与压力的数学传感模型。(2)在杆体上锚杆轴向力测量通过引脚沿轴向将应变管结构的光纤Bragg光栅应变传感器焊接在杆体上的。在拉力作用下锚杆体受力带动应变传感器引脚间距发生变化导致应变传感器的光纤Bragg光栅中心波长产生移位,建立光纤Bragg光栅中心波长位移与拉力的数学传感模型。(3)拉压试验表明：锚杆张拉测力灵敏度为0.7pm/kN,轮辐压力光栅1的测力灵敏度为74pm/kN,光栅2的测力灵敏度为151pm/kN。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锚杆分类
• 1.3 常见锚头测力方法
• 1.3.1 锚头液压测力环
• 1.3.2 锚头电阻应变测力环
• 1.3.3 锚头钢弦测力环
• 1.4 常见杆体测力方法
• 1.4.1 粘贴电阻应变法
• 1.4.2 串接钢弦法
• 1.5 光纤光栅在锚杆测力中的应用
• 1.6 小结
• 第二章 光纤Bragg光栅量测锚杆测量模型
• 2.1 引言
• 2.2 锚头拉力测量原理
• 2.3 锚头拉力测量数学模型
• 2.4 杆体拉力测量原理
• 2.5 杆体拉力测量数学模型
• 2.6 小结
• 第三章 光纤Bragg光栅量测锚杆的研制
• 3.1 引言
• 3.2 锚头测力结构设计
• 3.2.1 轮辐结构材料的选择
• 3.2.2 轮辐结构尺寸设计
• 3.2.3 轮辐结构光纤Bragg光栅的熔接粘贴
• 3.2.4 轮辐结构的技术参数
• 3.3 杆体测力结构设计
• 3.3.1 测试锚杆的选择
• 3.3.2 应变管尺寸设计
• 3.3.3 应变管光纤Bragg光栅的熔接粘贴
• 3.3.4 杆体张拉结构技术参数
• 3.4 小结
• 第四章 光纤Bragg光栅量测锚杆试验分析
• 4.1 引言
• 4.2 锚头试验
• 4.2.1 锚头压力试验原理
• 4.2.2 锚头压力试验过程
• 4.2.3 锚头压力试验结果
• 4.2.4 锚头压力试验数据分析
• 4.3 杆体试验
• 4.3.1 杆体拉力试验原理
• 4.3.2 杆体拉力试验过程
• 4.3.3 杆体拉力试验结果
• 4.3.4 杆体拉力试验数据分析
• 4.4 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士学位期间发表论文与参加课题