【摘要】：預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)在區(qū)域性調(diào)水、市政給排水等國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。PCCP作為一種復(fù)合管材,由于鋪設(shè)距離長(zhǎng),穿越區(qū)域工程地質(zhì)條件復(fù)雜,其在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全性一直是重點(diǎn)關(guān)注的課題。管道監(jiān)測(cè)是PCCP結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)估及預(yù)防爆管等的基礎(chǔ),傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)PCCP在內(nèi)壓作用下的多層結(jié)構(gòu)分布式、長(zhǎng)距離、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。本文以南水北調(diào)工程為背景,探索性地將光纖光柵技術(shù)(FBG)和脈沖預(yù)泵浦布里淵光時(shí)域分析儀技術(shù)(PPP-BOTDA)應(yīng)用于PCCP結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè),開(kāi)展了 PCCP光纖監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究,對(duì)PCCP管道原型5層結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓作用下和斷絲后的結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了監(jiān)測(cè);在此基礎(chǔ)上,利用有限元軟件ABAQUS建立了 PCCP管道三維非線性有限元模型,模擬了管道在不同內(nèi)水壓下的結(jié)構(gòu)變形,并與光纖監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。論文取得如下成果:(1)總結(jié)了 PCCP失效模式及管道監(jiān)測(cè)技術(shù),分析了各種監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的局限性;介紹了基于PPP-BOTDA和FBG光纖感測(cè)技術(shù)的基本原理、技術(shù)特點(diǎn)及適用范圍,論證了其應(yīng)用于PCCP管道變形監(jiān)測(cè)的可行性。(2)對(duì)基于FBG和PPP-BOTDA的PCCP光纖監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,包括儀器的解調(diào)性能、溫度補(bǔ)償技術(shù)、布設(shè)工藝等;研發(fā)了適合混凝土和砂漿應(yīng)變分布式監(jiān)測(cè)的CFRP傳感布;對(duì)課題組研發(fā)的基于FBG技術(shù)的滲壓計(jì)、溫度傳感器、貼片式應(yīng)變計(jì)開(kāi)展了一系列的溫度和應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定試驗(yàn);采用等強(qiáng)度梁,開(kāi)展了鋼結(jié)構(gòu)表面多種光纖應(yīng)變傳感器測(cè)試性能試驗(yàn),結(jié)果表明FBG貼片式應(yīng)變計(jì)和0.9mm聚酰亞胺光纖具有更好的應(yīng)變測(cè)試性能,并分析了點(diǎn)焊和環(huán)氧粘貼兩種安裝工藝對(duì)FBG貼片式應(yīng)變計(jì)應(yīng)變傳遞的影響。(3)設(shè)計(jì)了內(nèi)水壓作用下PCCP管道各層結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)方案,包括光纖傳感器的選型、安裝工藝及線路的集成,建立了 PCCP結(jié)構(gòu)應(yīng)變光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。(4)開(kāi)展了 PCCP現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn),對(duì)管道混凝土、鋼筒、鋼絲及砂漿層在內(nèi)壓作用下和斷絲后的結(jié)構(gòu)應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果能全面、形象直觀地反映PCCP在加壓和斷絲過(guò)程中的應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律�；诒O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,把管道變形過(guò)程分為三個(gè)階段:管道各層結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)一致階段(0～1.8MPa),應(yīng)變與內(nèi)水壓呈良好的線性關(guān)系;管道初裂階段(1.9MPa)。鋼絲和鋼筒屈服階段(1.9～2.25MPa),此階段內(nèi)水壓力主要由預(yù)應(yīng)力鋼絲承擔(dān)。并且獲得了預(yù)應(yīng)力鋼絲斷裂后,自身應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律以及對(duì)旁側(cè)未斷鋼絲和鋼筒變形的影響。(5)基于ABAQUS建立了 PCCP三維非線性有限元計(jì)算模型,計(jì)算了管道在不同內(nèi)水壓下的結(jié)構(gòu)變形,并將計(jì)算結(jié)果與光纖監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果表明光纖監(jiān)測(cè)值和PCCP有限元模擬值有的一致性較好,變化趨勢(shì)相似。進(jìn)一步驗(yàn)證了光纖感測(cè)技術(shù)在PCCP管道結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)上的可行性和有效性。
[Abstract]:Prestressed steel cylinder concrete pipe (PCCP) plays an important role in regional water transfer, municipal water supply and drainage and other national infrastructure. As a kind of composite pipe, PCCP is a kind of composite pipe. The structural safety in the long-term operation process has been the focus of attention. Pipeline monitoring is the basis of PCCP structure safety state evaluation and tube explosion prevention. Traditional monitoring technology is difficult to realize distributed, long distance and real-time dynamic monitoring of multi-layer structure under the action of internal pressure of PCCP. In this paper, based on the South-to-North Water transfer Project, fiber Bragg grating (FBG) technology and pulse prepumped Brillouin optical time domain analyzer (PPP-BOTDA) are applied to PCCP structure deformation monitoring, and the key techniques of PCCP fiber monitoring are studied. The strain response law of PCCP pipeline prototype structure under internal pressure and after broken wire is monitored. On this basis, the three-dimensional nonlinear finite element model of PCCP pipeline is established by using the finite element software ABAQUS, and the structural deformation of the pipeline under different internal water pressures is simulated, and the results are compared with the results of optical fiber monitoring. The main achievements are as follows: (1) the failure mode and pipeline monitoring technology of PCCP are summarized, and the limitations of various monitoring technologies are analyzed. This paper introduces the basic principle, technical characteristics and application scope of optical fiber sensing technology based on PPP-BOTDA and FBG. The feasibility of its application in PCCP pipeline deformation monitoring is demonstrated. (2) the key techniques of PCCP optical fiber monitoring based on FBG and PPP-BOTDA are experimentally studied, including demodulation performance of the instrument, temperature compensation technology, laying process and so on. The CFRP sensing cloth suitable for distributed monitoring of concrete and mortar strain was developed, and a series of calibration tests of temperature and strain coefficient were carried out for the seepage gauge, temperature sensor and patch strain gauge based on FBG technology developed by the research group. The testing performance tests of various optical fiber strain sensors on steel structure surface were carried out by using equal strength beam. The results show that FBG strain gauge and 0.9mm polyimide fiber have better strain testing performance. The effect of spot welding and epoxy bonding on the strain transfer of FBG strain gauge is analyzed. (3) the strain monitoring scheme of each layer of PCCP pipeline under the action of internal water pressure is designed, including the type selection of optical fiber sensor. With the integration of installation technology and circuit, the PCCP structural strain fiber monitoring system was established. (4) the PCCP prototype test was carried out to monitor the structural strain of pipeline concrete, steel cylinder, steel wire and mortar layer under internal pressure and after breaking wire. The monitoring results can reflect the strain response of PCCP in the process of compression and wire breaking. Based on the analysis of monitoring data, the pipeline deformation process is divided into three stages: the coherent deformation phase (0~1.8MPa) of each layer of pipeline, the linear relationship between strain and internal water pressure, and the initial crack stage (1.9MPa) of pipeline. In steel wire and cylinder yield stage (1.9~2.25MPa), water pressure is mainly borne by prestressed steel wire. The strain response law of prestressed steel wire and its influence on the deformation of unbroken steel wire and cylinder are obtained. (5) based on ABAQUS, the three-dimensional nonlinear finite element model of PCCP is established. The structural deformation of pipeline under different internal water pressure is calculated, and the calculated results are compared with the results of optical fiber monitoring. The results show that there is good consistency between the fiber monitoring values and the PCCP finite element simulation values, and the variation trend is similar. The feasibility and effectiveness of optical fiber sensing technology in strain monitoring of PCCP pipeline structure are further verified.
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TV672.2;TV221

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本文編號(hào)：2399611