本文關(guān)鍵詞： 光纖傳感器 應(yīng)變傳遞理論 誤差修正 瀝青路面多層介質(zhì)結(jié)構(gòu) 健康監(jiān)測 性能評定　出處：《大連理工大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：路面結(jié)構(gòu)由于組成材料的多介質(zhì)和層間接觸條件的復(fù)雜性,其力學(xué)響應(yīng)和損傷演化機理難以通過力學(xué)理論或有限元仿真較準(zhǔn)確地獲取,而室內(nèi)實驗結(jié)果則受模型尺寸和荷載簡化的影響。因此,采用光纖傳感技術(shù)對路面內(nèi)部應(yīng)力和損傷狀態(tài)進(jìn)行較準(zhǔn)確地監(jiān)測,有效地評定實際路面的結(jié)構(gòu)性能,為路面的維護和設(shè)計提供科學(xué)建議,具有重要價值。然而,為提升傳感器在工程結(jié)構(gòu)長期測試中的耐久性,需要對光纖感知元件進(jìn)行封裝。由于保護層、粘貼層等中間介質(zhì)的存在,光纖感知應(yīng)變不能完全代表基體的真實應(yīng)變。因此,發(fā)展了應(yīng)變傳遞理論,以建立光纖感知應(yīng)變和基體應(yīng)變之間的定量關(guān)系,修正應(yīng)變傳遞誤差,提升工程化傳感器的測試準(zhǔn)確性。國內(nèi)外已有較多工作研究應(yīng)變傳遞誤差修正理論,但是有較多方面如力學(xué)模型與實測工程的關(guān)聯(lián)度、假設(shè)與受力狀態(tài)的匹配程度等還不完善,需要進(jìn)一步的研究。尤其當(dāng)被測結(jié)構(gòu)對象為瀝青路面基體時,傳感器的誤差修正問題顯得更加重要和迫切。本文針對傳感器用于一般結(jié)構(gòu)和瀝青路面及其典型損傷狀態(tài)下的應(yīng)變傳遞機理進(jìn)行了理論研究,同時提出了基于應(yīng)變傳遞理論的傳感器優(yōu)化設(shè)計方法及優(yōu)先設(shè)計指標(biāo),在此基礎(chǔ)上研制了滿足瀝青路面結(jié)構(gòu)復(fù)雜應(yīng)力測試的系列傳感器,發(fā)展了兼顧結(jié)構(gòu)局部(損傷)和整體力學(xué)形態(tài)的變標(biāo)距測試技術(shù)和OF(Optical fiber)/FBG(Fiber Bragg grating)測試技術(shù),并將其用于瀝青路面的現(xiàn)場監(jiān)測,實現(xiàn)了基于較長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的路面結(jié)構(gòu)性能評定。論文主要內(nèi)容包括：(1)根據(jù)被測基體材質(zhì)、損傷特征及荷載模式的不同,建立了光纖傳感器埋入和外貼于一般結(jié)構(gòu)及其損傷(如彈塑性、塑性、剝離及疲勞)狀態(tài)下的力學(xué)測試模型,分別對其應(yīng)變傳遞機理進(jìn)行了理論分析,推導(dǎo)得出了傳感測試模型無損及有損傷情況下的誤差修正公式,并基于所推導(dǎo)的靜態(tài)和動態(tài)條件下彈性階段的應(yīng)變傳遞理論對影響應(yīng)變傳遞效率的參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。(2)針對瀝青路面的施工特點和損傷特征,對埋入瀝青路面的方形基體材料封裝FBG和膠漿封裝分布式光纖傳感器的應(yīng)變傳遞機理進(jìn)行了理論分析,討論了基體的粘彈性特征、蠕變效應(yīng)及低溫裂縫損傷狀態(tài)下的誤差修正公式,并基于推導(dǎo)的應(yīng)變傳遞理論間接地實現(xiàn)了層間剝離損傷的監(jiān)測。(3)根據(jù)變形傳遞方式的不同對外貼和埋入式光纖傳感器進(jìn)行了系統(tǒng)的歸類和力學(xué)機理分析,提出了基于應(yīng)變傳遞理論的工程化光纖傳感器優(yōu)化設(shè)計方法及其優(yōu)先設(shè)計指標(biāo),并在此基礎(chǔ)上研制了滿足瀝青路面結(jié)構(gòu)復(fù)雜應(yīng)力測試的系列新型FBG和光纖傳感器,提供了相應(yīng)的誤差修正公式,通過基礎(chǔ)實驗論證了其工程可用性。(4)在系列傳感器成功研制的基礎(chǔ)上,針對長距離路面局部損傷和整體力學(xué)性能的測試需求,發(fā)展了表征結(jié)構(gòu)局部損傷全歷程信息的變標(biāo)距測試技術(shù)、兼顧結(jié)構(gòu)整體和局部性態(tài)的OF/FBG測試技術(shù),并分別通過基礎(chǔ)實驗論證了其用于路面結(jié)構(gòu)全尺度智能監(jiān)測的可行和有效性。(5)基于前述理論推導(dǎo)、方法探討及實驗論證分析,將系列光纖傳感器埋入兩種瀝青路面多層介質(zhì)結(jié)構(gòu),對其在溫度場變化和車輛荷載作用下的較長期力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測,并通過積累的有效變形數(shù)據(jù)對瀝青路面的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了評定,為路面結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護和設(shè)計提供了建議。
[Abstract]:Because of the complexity of the pavement structure layer and the contact condition of multi media material between the response and the damage evolution mechanism to mechanics theory or finite element simulation accurately obtain the mechanics, and experimental results are affected by the simplified model size and load. Therefore, by accurately monitoring on the surface and internal stress the damage state with optical fiber sensing technology, the actual pavement structure performance evaluation effectively, provide scientific advice for the design and maintenance of the road, has an important value. However, for the improvement of durability sensor in the long-term test in engineering construction, the need for encapsulation of the optical fiber sensing element. The protective layer, the middle layer of the medium paste true strain, strain sensing fiber can not fully represent the matrix. Therefore, the development of the strain transfer theory, to establish a quantitative perception between the fiber strain and matrix strain. System error transfer correction accuracy test strain, enhance engineering sensor. Transmission error correction theory at home and abroad there have been many research work strain, but related aspects such as more degrees of mechanical model and actual engineering, hypothesis and stress state of the matching degree is not perfect, need further research. Especially when the measured structure the object for asphalt pavement base, sensor error correction problem becomes more and more important and urgent. The transfer mechanism of strain sensor for asphalt pavement and its general structure and typical damage conditions were studied, and put forward the optimization design method of sensor strain transfer theory and design based on priority index, on the basis of the development to meet the asphalt pavement structure should be complex series of sensors force test, the development of both the local structure (damage) and the whole mechanical form variable The gauge test technology and OF (Optical fiber) /FBG (Fiber Bragg grating) testing technology and its application in field monitoring of asphalt pavement, the pavement performance evaluation is based on long-term monitoring data. The main contents include: (1) according to the measured matrix material, damage characteristics and load mode types. The establishment of the optical fiber sensors and affixed to the general structure and damage (such as plastic, plastic, spalling and fatigue) under the condition of mechanical testing model, respectively. The strain transfer mechanism was analyzed in theory, deduces the model test and nondestructive sensing error modified formula of damage, and elastic strain stage of static and dynamic conditions is based on the theory of strain transfer parameters and transmission efficiency of the sensitivity analysis. (2) according to the construction characteristics and damage characteristics of asphalt pavement, the asphalt buried Strain transfer mechanism of pavement square matrix material encapsulated FBG and glue package distributed optical fiber sensor is analyzed and discussed the viscoelastic properties of the matrix, the formulae of error correction effect and creep damage state under low temperature crack, and transfer theory indirectly realize the delamination damage monitoring is based on strain (3. According to the different modes of deformation transfer) and externally bonded fiber sensors were analyzed and classified and mechanics system, based on the strain transfer theory of engineering fiber sensor optimization design method and design the priority index, and on the basis of the development of asphalt pavement structure meet the complex stress test series model FBG and optical fiber the sensor, provides the corresponding error correction formula, based on experiments to prove its usability engineering. (4) developed in series sensor base On the basis, according to test requirements of local road damage and overall mechanical properties of long distance, the development of the whole process of local damage information representation structure of variable gauge testing technology, testing technology of both OF/FBG overall structure and local behavior, and are based on experiments to prove its feasibility and validity for full scale intelligent pavement structure monitoring. (5) the theory based on the analysis and experimental results demonstrate that the series of fiber optic sensors embedded in two kinds of asphalt pavement in the multi-layer structure, and the change of temperature field under vehicle load mechanical response of long period continuous monitoring, and through effective deformation data accumulated on the performance of asphalt pavement structure evaluation is carried out, and provides suggestions for design and maintenance of pavement.

【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：U416.217

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本文編號：1503670