基于分布式光纤的结构变形理论研究

基于分布式光纤的结构变形监测的理论研究摘要：传统的结构变形监测与应变监测采用不同的系统。论文主要研究受弯结构的变形——应变关系，推导相关的理论公式。通过检测结构应变的同时得出结构的变形，完成变形与应变的同时检测，具有较好的经济效益。关键字：分布式光纤，变形监测，应变监测结构的变形监测在结构的施工和运营期都起着重要的作用。工程结构的变形量不能超过其所能承受的范围，否则会带来严重的灾难。如基坑支护结构，要监测支护结构顶水平位移与深层水平位移；大型建筑结构全寿命期的监测；桥梁结构中梁的挠度监测，塔的水平位移监测等等。目前变形监测是用测量仪器或专用仪器测定结构在荷载作用下随时间变形的工作。常规的地面测量技术采用水准仪、全站仪等测定点的变形量，但外业工作量大,布点受地形条件影响,不易实现自动化监测。GPS全球定位系统从20世纪80年代开始用于变形监测，该系统在滑坡变形、大坝变形、矿区地面沉陷和地壳形变监测等方面,做了大量的研究工作。此技术明显优于传统大地测量监测技术，但价格昂贵，且有一些关键技术，如精度需进一步提高，系统自身的误差对测量结果的影响等需要解决。结构在寿命期内除了要进行变形监测外，还需进行应力应变、裂缝等的监测，而测量技术无法完成，需另成立监测系统，造成监测系统增多，费用增大。分布式传感光纤的出现为解决这一问题带来了曙光。1、分布式光纤进行变形监测的原理连续分布式光纤传感技术利用光纤中的光散射效应来实现被测信息的传感，目前有三种技术：1）基于瑞利散射的分布式光纤传感技术。瑞利散射对温度和应变不敏感，用于光纤链路损耗测量和裂缝检测。2）基于拉曼散射的分布式光纤传感技术。拉曼散射只对温度敏感,且受拉曼散射信号强度的制约。3）基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。该技术利用应力和温度可以改变布里渊散射光相对于入射光的频移这个特性，实现应变和温度的传感检测。相对于入射光，布里渊散射光有一定的频移，称为布里渊频移。光纤中的布里渊频移变化量△νB与光纤所受的温度或应变成线性关系：TCeCvTveB通过检测布里渊散射光的频移，便可求得光纤所受的应变或温度。2、变形监测理论分析与公式推导以受弯结构为例进行推导。弯曲变形时构件凹部纤维缩短，凸部纤维伸长，根据材料连续性假定，由缩短区连续过度到伸长区，其间必定存在一个纵向平面，该面内纵向纤维长度保持不变，称为中性层。中性层与横截面的交线，为该截面的中性轴。取长为dx的微段，取横断面的纵向对称轴为y轴，中性轴为z轴，微段轴线方向为x轴，如图2.1。弯曲后，两横截面AA和BB的相对转角为d，中性层的曲率半径为ρ。（a）（b）（c）图2.1纵线ab到中性层的距离为y1，其线应变为：11ydabababdxdxaby1（-）-dd，（1-1）纵线cd到中性层的距离为y2，其线应变同理为：22y，（1-2）弯曲前后纵线ab、cd间距近似不变，设为d，则有y2-y1=d（1-3）由式（1-1）～（1-3），得12d（）（1-4）构件受弯，挠曲线方程设为y=y（x），小变形条件下，21y由数学分析，曲率1yyy23/2（1+）在图2.1所示坐标系下，曲率y为正值，上式右端取正号，有1y（1-5）将式（1-4）代入式（1-5）并积分，得121()()yd(x)xxdxC1212()()yd(x)xxdxdxCxC式中d(x)为分布式光纤传感器或FRP智能筋间的距离函数，可在布设传感器时确定；1()x、2()x为构件轴线方向应变分布函数，可通过分布式光纤传感器测得；C1、C2为积分常数，可通过构件的位移边界条件确定。由此即可得到构件的挠曲线方程：y=y（x）（1-6）在小变形条件下，构件任一截面的转角设为θ，则121()()tan=yd(x)xxdydxCdx（1-7）需注意的是，式（1-6）得到的构件位移均为相对于边界条件的相对位移，考虑边界参考点的绝对位移后，即可得到构件各截面的绝对位移。3、结论