成都國際結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測會議

1、 PCCP極限內(nèi)壓承載力光纖監(jiān)測技術(shù)研究匯報人： 曾紹洪指導老師： 施斌 教授 2022/7/9匯報提綱1研究背景光纖傳感技術(shù)簡介2PCCP極限內(nèi)壓承載力實驗研究3結(jié)論與展望4研究背景2022/7/9PCCP鋪管實物圖PCCP管結(jié)構(gòu)示意圖 PCCP管是預應力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder pipe）的簡稱由混凝土、鋼筒、鋼絲及砂漿組成的高強度的復合管材，具有強度高、抗?jié)B性強、耐久性好、工程造價和維護費用低等特點而廣泛應用于市政排水、長距離有壓輸水等基礎(chǔ)工程中。如利比亞“大人工河”、山西萬家寨引黃工程、南水北調(diào)等工程等研究背景美國，19422006年的6

2、5年中共發(fā)生了399次爆管事故（數(shù)據(jù)來自AWWARF 4304報告“PCCP的失效破壞”）。利比亞大人工河工程一期投入使用后，6年間發(fā)生5起爆管。爆管預應力鋼絲腐蝕沖剪破壞爆管南水北調(diào)中線工程大量使用PCCP管，但研制以及成品管 的質(zhì)量控制還沒有成熟的經(jīng)驗。隱蔽工程，工程地質(zhì)條件復雜，服役周期長結(jié)構(gòu)復雜，現(xiàn)有的關(guān)于PCCP內(nèi)壓承載力研究成果較少且多基于數(shù)值模擬水擊、地震等會使管道瞬間產(chǎn)生較高內(nèi)水壓力使管道破壞選用合適的監(jiān)測技術(shù)對PCCP在極限內(nèi)水壓作用下承載機理的研究是十分必要的。研究背景1、需要監(jiān)測哪些項目？研究PCCP結(jié)構(gòu)內(nèi)壓承載機理管芯混凝土（鋼筒內(nèi)側(cè)和鋼筒外側(cè)）應變；鋼筒應變（貼在鋼筒

3、內(nèi)測）；預應力鋼絲應變；保護層砂漿應變；3、傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)？傳統(tǒng)監(jiān)測如電阻式應變片、振弦式傳感器？光纖傳感技術(shù)？點式檢測，容易漏檢，精細化程度不高；檢測探頭過大，傳導線過多，影響監(jiān)測效果安裝復雜，傳感器成活率低；易零飄，耐久性差光纖監(jiān)測技術(shù)2、采用何種監(jiān)測技術(shù)？光纖傳感技術(shù)簡介1.光纖傳感技術(shù)：一種以光為載體、光纖為媒介的新型傳感技術(shù)分布式光纖傳感技術(shù)（DFOS） 光纖布拉格光柵（FBG） 光時域/頻域反射(OTDR/OFDR） 拉曼光時域/頻域反射（ROTDR/ROFDR） 布里淵光時域反射 (BOTDR） 受激布里淵光時域/頻域分析（BOTDA/BOFDA） 復用 散射光光纖傳感技術(shù)簡介2.

4、光纖傳感技術(shù)的特點分布式，精細化: 連續(xù)獲得沿線各點分布信息 易于安裝：感測光纖直埋、捆綁或刻槽粘貼即可 動態(tài)監(jiān)測，部分功能實時監(jiān)測： 如BOTDR 和FBG 抗干擾、耐腐蝕 不影響待測體質(zhì)量：感測光纖纖細柔軟， 匹配性好 性價比高：按照實現(xiàn)分布式檢測功能的傳統(tǒng)方法比較， 提高約30倍以上根據(jù)PCCP管結(jié)構(gòu)特點選用受激布里淵分布式傳感技術(shù)BOTDA和布拉格光柵FBG技術(shù)光纖傳感技術(shù)BOTDA原理L1L2受激布里淵分布式光纖傳感（BOTDA）布里淵散射光頻率變化量與光纖軸向應變或環(huán)境溫度之間呈線性關(guān)系傳感優(yōu)勢：分布式監(jiān)測、空間分辨率高、感測精度高光纖測量采樣點光纖傳感技術(shù)FBG原理入射光反射光光

5、纖柵區(qū)-傳感區(qū)1cm2cm反射波長變化與應變（溫度）變化成線性關(guān)系受拉波長光強I光強I波長受拉應變波長增大受布拉格光纖光柵FBG技術(shù)傳感優(yōu)勢測量精度高（12 ）， 多個串聯(lián)（單通道可串50個傳感器）PCCP極限內(nèi)壓承載力實驗一、研究內(nèi)容研究PCCP管極限內(nèi)水壓作用下的承載機理和破壞特征二、實驗監(jiān)測方案（1）管體不同結(jié)構(gòu)（管芯混凝土內(nèi)外側(cè)、鋼筒、預應力鋼絲和砂漿）采用不同的光纖傳感器和布設工藝。（2）管體上選擇7個橫斷面，在每一個橫斷面每間隔90的位置共布設4個FBG（3）在鋼筒、管芯混凝土內(nèi)側(cè)每一橫斷面布設分布式光纖（4）管道內(nèi)壓用FBG滲壓計動態(tài)監(jiān)測，溫度由光柵溫度計實時監(jiān)測三、PCCP原型

6、實驗（1）套筒式加壓裝置模擬加壓（2）初始壓力值0MPa，以0.1MPa為一梯度升壓,每達到一目標壓力穩(wěn)壓5min再加壓,直至壓力達到2.25MPa。（3）整個加壓過程中,FBG解調(diào)儀不間斷的采集應變數(shù)據(jù)，每一級穩(wěn)壓后的5min，BOTDA采集一次數(shù)據(jù)。內(nèi)壓實驗全貌加壓裝置測試儀器PCCP管內(nèi)壓承載力實驗監(jiān)測方案PCCP管內(nèi)壓承載力實驗監(jiān)測方案圖b NZS-FBG-A04型光纖光柵網(wǎng)絡分析儀圖a PPP-BOTDA（NBX-6050A）銅帶式應變計裸柵滲壓計（量程03MPa）分布式光纖補償溫度計 PCCP管體光纖傳感器布置圖The layout of optical fiber sensor

7、on the PCCPPCCP管內(nèi)壓承載力實驗監(jiān)測方案插口承口PCCP管內(nèi)壓承載力實驗監(jiān)測方案PCCP管內(nèi)壓承載力實驗傳感器布設工藝監(jiān)測結(jié)果與分析1.加壓過程PCCP各層結(jié)構(gòu)整體變形規(guī)律 （1）01.7 MPa管體各層結(jié)構(gòu)均勻受力、變形協(xié)調(diào)（2）1.7MPa、1.8MPa后管芯內(nèi)、外側(cè)混凝土分別開始發(fā)生損傷破壞；（3）1.9MPa后混凝土出現(xiàn)裂紋，內(nèi)壓主要由預應力鋼絲承擔監(jiān)測結(jié)果與分析2.鋼筒在加壓過程的應變規(guī)律 （a）鋼筒在加壓過程各斷面FBG應變時程曲線（1）02.0MPa鋼筒處于彈性變形階段，此后鋼筒發(fā)生塑性變形（2）從分布式光纖可以明顯看出鋼筒變形有三個階段：01.8MPa 線彈性變形

8、；1.82.0MPa非線性變形；2.02.25MPa屈服變形屈服壓力2.0MPa混凝土破壞分布式光纖數(shù)據(jù)形象直觀?。╞）鋼筒在加壓過程中分布式光纖應變監(jiān)測結(jié)果與分析3.管芯混凝土在加壓過程的變形規(guī)律（a）內(nèi)側(cè)管芯混凝土應變與內(nèi)壓的變化關(guān)系 （b）外側(cè)管芯混凝土應變與內(nèi)壓的變化關(guān)系監(jiān)測結(jié)果與分析4.預應力鋼絲的變形規(guī)律預應力鋼絲在加壓和泄壓過程的應變時程曲線1.86MPa后預應力鋼絲為PCCP主要受力構(gòu)件2.05MPa鋼絲開始屈服監(jiān)測結(jié)果與分析 （a）砂漿上應變與與內(nèi)壓變化關(guān)系 （b） 加壓過程砂漿上3.3處橫斷面分布式光纖應變5.砂漿變形規(guī)律無裂縫應變?yōu)?40.3,砂漿出現(xiàn)宏觀裂縫為1122.

9、4軟化微觀裂紋出現(xiàn)宏觀裂紋結(jié)論與展望（1）獲得了PCCP內(nèi)壓在01.8MPa，管道受力均勻，各層結(jié)構(gòu)變形較協(xié)調(diào)一致并共同抵御內(nèi)壓。其中00.9MPa內(nèi)管道各層結(jié)構(gòu)處于彈性變形階段。同時由于鋼絲的預壓應力作用，砂漿較管芯混凝土早出現(xiàn)微裂縫，砂漿和管芯混凝土出現(xiàn)微裂縫內(nèi)壓分別為0.9MPa、1.2MPa；實驗PCCP管初裂內(nèi)水壓為1.9MPa。1.92.25MPa為鋼絲和鋼筒屈服階段，其中鋼筒、預應力鋼絲屈服內(nèi)水壓力為2.0MPa、2.25MPa。（2）混凝土基本喪失環(huán)向強度后，但能傳遞徑向應力，內(nèi)水壓力主要由預應力鋼絲承擔。（3）極限內(nèi)水壓時，PCCP表現(xiàn)為管芯混凝土最終拉裂破壞和鋼絲屈服。（4）以上的分析和監(jiān)測結(jié)果表明：基于BOTDA原理的分布式光纖感測技術(shù)及FBG感測技術(shù)，能夠成功的運用于PCCP管道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，不僅能精確的監(jiān)測PCCP在抗裂內(nèi)壓作