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分布式光纤传感技术在钢筋锈蚀监测中的应用

作　者: 孔祥龙
导　师: 赵雪峰
学　校: 大连理工大学
专　业: 建筑与土木工程
关键词: 钢筋锈蚀 监测 光纤传感器 锈胀应变
分类号: TU375
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


钢筋混凝土结构是目前应用最为普遍的建筑结构形式之一,在未来也将长期发挥着重要的作用。钢筋锈蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性下降和过早的破坏的主要原因之一,对人们的生命财产造成了巨大的损失。钢筋锈蚀监测是研究钢筋锈蚀规律的重要途径,对分析和解决混凝土结构耐久性问题有着十分重要的意义。本文旨在探索光纤传感技术在钢筋锈蚀监测中的应用。围绕此目的,首先阐述了混凝土结构中钢筋锈蚀的机理、过程和影响因素,现有的钢筋锈蚀监测方法,以及钢筋锈蚀与混凝土结构耐久性的关系；介绍了基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的基本原理。基于以上认识,提出了一种新型的用于监测混凝土结构中钢筋锈蚀的光纤传感器。本传感器基于布里渊光时域分析(BOTDA)的分布式光纤传感技术,根据钢筋锈蚀体积膨胀的基本原理,连续测得光纤在钢筋锈胀力作用下的环向应变,并由此得出钢筋的锈蚀情况；同时,采用水泥砂浆封装技术以提高传感器的成活率、使用寿命以及监测结果的准确性。基于以上原理,具体设计并制作出两个类型的传感器：将光纤直接缠绕在钢筋表面上的无垫层型传感器和将光纤缠绕在包裹钢筋的水泥砂浆垫层上的垫层型传感器。将制作好的传感器埋入混凝土试件中模拟实际的监测环境,并采用电化学加速锈蚀试验研究传感器的具体性能。试验结果表明,设计方案具有很高的可行性和实际应用价值；所有的传感器都实现了对钢筋锈胀应变的有效监测,得到了连续而准确的钢筋锈胀应变的变化情况；对传感器的性能进行了分析和总结,得出无垫层型传感器具有灵敏度高但测量范围较小的特点；垫层型传感器的量程较大,并且可以通过垫层厚度进行调整；根据弹性力学,推出光纤所测锈胀应变与钢筋锈胀力、混凝土损伤度之间的关系。总之,本传感器可用于钢筋锈蚀的监测及混凝土结构耐久性的评估,对钢筋锈蚀和混凝土结构耐久性的进一步研究有着重要的意义。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-22
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 混凝土结构中的钢筋锈蚀  10-14
    1.2.1 钢筋锈蚀的机理  10-12
    1.2.2 钢筋锈蚀的过程  12-13
    1.2.3 影响钢筋锈蚀的因素  13-14
  1.3 钢筋锈蚀的监测  14-18
    1.3.1 传统监测技术  14-15
    1.3.2 光纤光栅锈蚀传感技术  15-16
    1.3.3 分布式光纤锈蚀传感技术  16-18
  1.4 混凝土结构耐久性的研究  18-20
    1.4.1 混凝土结构耐久性的研究现状  18
    1.4.2 混凝土结构耐久性问题的重要性  18-19
    1.4.3 混凝土结构耐久性的主要内容  19-20
  1.5 研究意义和研究内容  20-22
2 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的研究  22-29
  2.1 光纤中的布里渊散射  22-24
    2.1.1 光纤中的自发布里渊散射  22-23
    2.1.2 光纤中的受激布里渊散射  23-24
  2.2 布里渊光时域分析技术研究  24-26
    2.2.1 布里渊散射的传感机理  24-25
    2.2.2 布里渊光时域分析技术(BOTDA)  25-26
  2.3 有效点问题的研究  26-28
    2.3.1 空间分辨率  26-27
    2.3.2 有效点的选取  27-28
  2.4 本章小结  28-29
3 基于BOTDA的光纤锈蚀传感器的研究  29-52
  3.1 传感器的设计与制作  29-31
  3.2 钢筋锈胀力和混凝土损伤度评定公式  31-37
    3.2.1 混凝土保护层胀裂过程分析  31-32
    3.2.2 基于锈胀应变的钢筋锈胀力评定公式  32-35
    3.2.3 基于锈胀应变的混凝土损伤度评定公式  35-37
  3.3 传感器试验研究  37-40
  3.4 传感器1的试验结果及分析  40-45
    3.4.1 试验结果  40-41
    3.4.2 试验分析  41-45
  3.5 传感器2的实验结果及分析  45-51
    3.5.1 试验结果  45-46
    3.5.2 试验分析  46-50
    3.5.3 传感器性能分析  50-51
  3.6 本章小结  51-52
4 基于BOTDA的垫层型光纤锈蚀传感器的研究  52-67
  4.1 传感器的设计与制作  52-55
    4.1.1 设计说明  52-53
    4.1.2 制作说明  53-55
  4.2 传感器试验研究  55-58
  4.3 试验与性能分析  58-63
    4.3.1 试验分析与总结  58-62
    4.3.2 传感器性能分析  62-63
  4.4 两类传感器性能总结  63-65
  4.5 本章小结  65-67
5 结论与展望  67-69
  5.1 结论  67
  5.2 展望  67-69
参考文献  69-71
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  71-72
致谢  72-73

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 建筑结构 > 混凝土结构、钢筋混凝土结构 > 钢筋混凝土结构
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