【摘要】：預應力鋼筒混凝土管(PCCP)在區(qū)域性調水、市政給排水等國家基礎建設中發(fā)揮著重要的作用。PCCP作為一種復合管材,由于鋪設距離長,穿越區(qū)域工程地質條件復雜,其在長期運營過程中的結構安全性一直是重點關注的課題。管道監(jiān)測是PCCP結構安全狀態(tài)評估及預防爆管等的基礎,傳統(tǒng)的監(jiān)測技術難以實現(xiàn)PCCP在內壓作用下的多層結構分布式、長距離、實時動態(tài)監(jiān)測。本文以南水北調工程為背景,探索性地將光纖光柵技術(FBG)和脈沖預泵浦布里淵光時域分析儀技術(PPP-BOTDA)應用于PCCP結構變形監(jiān)測,開展了 PCCP光纖監(jiān)測關鍵技術研究,對PCCP管道原型5層結構在內壓作用下和斷絲后的結構應變響應規(guī)律進行了監(jiān)測;在此基礎上,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水壓下的結構變形,并與光纖監(jiān)測結果進行了對比分析。論文取得如下成果:(1)總結了 PCCP失效模式及管道監(jiān)測技術,分析了各種監(jiān)測技術存在的局限性;介紹了基于PPP-BOTDA和FBG光纖感測技術的基本原理、技術特點及適用范圍,論證了其應用于PCCP管道變形監(jiān)測的可行性。(2)對基于FBG和PPP-BOTDA的PCCP光纖監(jiān)測關鍵技術進行了試驗研究,包括儀器的解調性能、溫度補償技術、布設工藝等;研發(fā)了適合混凝土和砂漿應變分布式監(jiān)測的CFRP傳感布;對課題組研發(fā)的基于FBG技術的滲壓計、溫度傳感器、貼片式應變計開展了一系列的溫度和應變系數(shù)標定試驗;采用等強度梁,開展了鋼結構表面多種光纖應變傳感器測試性能試驗,結果表明FBG貼片式應變計和0.9mm聚酰亞胺光纖具有更好的應變測試性能,并分析了點焊和環(huán)氧粘貼兩種安裝工藝對FBG貼片式應變計應變傳遞的影響。(3)設計了內水壓作用下PCCP管道各層結構應變監(jiān)測方案,包括光纖傳感器的選型、安裝工藝及線路的集成,建立了 PCCP結構應變光纖監(jiān)測系統(tǒng)。(4)開展了 PCCP現(xiàn)場原型試驗,對管道混凝土、鋼筒、鋼絲及砂漿層在內壓作用下和斷絲后的結構應變進行了監(jiān)測。監(jiān)測結果能全面、形象直觀地反映PCCP在加壓和斷絲過程中的應變響應規(guī)律�；诒O(jiān)測數(shù)據的分析,把管道變形過程分為三個階段:管道各層結構變形協(xié)調一致階段(0～1.8MPa),應變與內水壓呈良好的線性關系;管道初裂階段(1.9MPa)。鋼絲和鋼筒屈服階段(1.9～2.25MPa),此階段內水壓力主要由預應力鋼絲承擔。并且獲得了預應力鋼絲斷裂后,自身應變響應規(guī)律以及對旁側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算模型,計算了管道在不同內水壓下的結構變形,并將計算結果與光纖監(jiān)測結果進行了對比分析,結果表明光纖監(jiān)測值和PCCP有限元模擬值有的一致性較好,變化趨勢相似。進一步驗證了光纖感測技術在PCCP管道結構應變監(jiān)測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.
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TV672.2;TV221

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