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导电薄膜在桥梁结构表面应变及裂缝监测中的应用

时间:2016-08-06 18:26来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是铁路工程论文,本文所研究的监测系统具有造价低、理论简洁、结果准确等优点,期待能够在未来的桥梁健康监测领域有着广泛的发展前景。
第 1 章 绪论
 
1.1 研究背景
随着我国经济的不断发展,基础设施建设在近些年来也在逐步的加以完善。道路桥梁作为沟通各地区之间的重要媒介,在经受车辆的反复磨损,雨水长时间的冲刷等,其使用功能随着时间正在不断的下降。结构性能的下降会引发一系列有损人民财产的交通事故[1-2]。近年来,有关桥梁坍塌的相关事故时有发生。例如,在 1983 年 6 月的一个凌晨,位于美国 connecticut 的一座高速公路大桥在运营中突然倒塌,在上面行驶的车辆随之掉入河中,造成 5 人失踪,多辆汽车被损,过后经调查、研究发现,该座大桥倒塌的原因就是桥梁结构多处被腐蚀,加上疲劳荷载的不断作用,引起了桥梁的疲劳损伤,进而造成塌陷[3-4]。在我国,1999 年的重庆彩虹大桥及 2003 年辽宁盘锦大桥的重大事故敲响了桥梁健康监测的警钟,同时也引起广大学者对桥梁健康监测及预警的重视。我国近些年来无论是公路桥梁还是铁路桥梁,正以飞速向前发展,在人们的日常生活中占据着越来越重要的位置,特别是西部及沿海地区的山区地段,桥梁能够占据线路总长的 30%以上[5]。而且我国现有桥梁由于车辆的不断增多和列车的不断增速,将会面临十分严峻的考验。所以,为了确保桥梁的安全性能、人民生命安全和国家财产安全,通过适当的方法对桥梁的健康状态做出评估,并根据监测结果采取相应的防范、补救措施就变得越来越重要了[6]。对桥梁的健康状态进行监测和评估,一方面能够在早期发现桥梁隐蔽的损伤,确保桥梁始终处于安全运营状态,同时也为其维修和加固提供必要的依据;另一方面,通过对已有桥梁健康监测所得数据加以分析,对我国目前桥梁有关方面的理论模型、理论假设等有着积极的意义,它能够对我国现有的桥梁设计方法、规范加以完善和改进[7-9]。随着科技的不断进步,现代主流的桥梁健康监测方法与传统技术已经有着很大的区别,现代桥梁健康监测技术是运用现代通信技术,将桥梁在运营状态下的结构相应行为、结构状况、运营环境等信息,通过数据的采集,传输至电脑终端,通过进行数据分析帮助人们对桥梁进行健康评估,进而可以在需要时采取相应的防范或补救措施[10]。近年来,随着高科技的不断发展与创新,如何更加方便、快捷、准确的获知桥梁健康的相关信息,已经成为各个学者面临的共同问题,这也使得结构健康监测步入一个全新的阶段。
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1.2 桥梁健康监测技术的发展
随着桥梁结构的不断老化,在维护及抢修方面的问题不断增多,更有甚者造成了大量的国家经济、人民财产等方面的损失,于是在上世纪中期提出了桥梁健康监测这一概念。经过五十多年,监测方法正在不断的发展和完善。总的来说,可以分为三个发展阶段。第一阶段为人工检验阶段,这一阶段单纯的依靠人眼来进行识别;第二阶段为无损监测技术的理论分析及测试阶段;第三阶段为智能材料融入结构的健康监测阶段[11]。健康监测系统总的来说是多个学科的交叉及融合,涉及到监测、数据采集、数据分析、信息传输等领域,这也反映了一个国家在桥梁建设及维护领域的水平。对于我国来说,大量桥梁的使用年限已经超过 30 年,对于这些桥梁的监测、维修和加固的工作远远多于新桥的修建。上世纪五十年代以来,由于桥梁事故造成的后果极其严重,所以国内外相关专家学者开始意识到这一领域的重要性,并在监测领域进行了积极的探索。这时就正式提出了桥梁健康监测系统这一概念[12-14]。二十世纪七十年代初期,由于传感技术、数据分析技术等方面的落后,桥梁领域的健康监测仅仅局限于对已建桥梁的评估和加固。发达国家这时已经建立了关于桥梁监测的相关执行标准(NBIS)[15],这一标准为结构的健康监测奠定了基础,也促进了这一领域的发展。但此时仅仅是依靠人工来进行。人工检测精确度低、周期长的缺点就使得这一领域迫切需要自动、精确、实时的监测系统来实现桥梁健康方面数据的采集、分析及处理,并进行健康状态的评估。二十世纪八十年代初,监测技术不断发展,监测手段不断丰富,人们开始在桥梁内部或表面安置监测设备,用以实时收集桥梁性能方面相关数据,此时人们所测量的数据主要围绕强度、耐久性、温度和应变几方面[16]。
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第 2 章 导电薄膜基础理论及研究
 
2.1 导电涂膜技术
本文所用主要材料—导电薄膜即是使用聚氯乙烯与导电颗粒混合、涂刷而成。对于导电涂料,已经有了上百年的发展历史。其功能主要包括导电、屏蔽电磁波和防静电等,导电涂膜的性价比高、耐久性好等优点使得其有着广阔的应用前景和市场需求。目前国外正在尝试使用含 Ag、Cu、Ni 等导电颗粒的导电涂料;我国在上世纪九十年代初也开始了对这一技术的研究,先后研制出了 1900、WA-929 等型号导电涂料,为相关科学研究提供了理论及设备支撑[51]。按照导电方式的不同,目前主流的导电涂料可分为两类:结构型导电涂料和添加型导电涂料。现阶段我们对于该种涂料的研究主要是导电高分子树脂方面。自上世纪七十年代美国科学家 Macdiamid 发现,在聚乙炔中掺加某种介质,能够使其具有与金属性质相似的导电性能。从那时起,学者对于该种化学高分子材料的结构不断研究,形成了交叉学科内的导电高分子领域。我们把具有共轭大π键的环状结构的高分子经过电化学或化学掺杂后所形成的材料称为导电高分子材料,主要包括聚乙炔、聚苯胺等具有芳香单环、多环的共聚物。这其中,聚苯胺因有着造价低、合成简单、导电性能良好,在空气中耐久性、稳定性好等诸多优点,已经受到了相关学者的高度关注,是导电聚合物领域的主要研究对象。在材料中,当其电子的共轭结构足够大以后,该介质即可提供电子,即有了导电功能,通过掺杂,能够使聚合物中的电流载体(电子、离子等)数目增多,从而在电子跃迁过程中起到导电作用。根据导电时电流载体的不同,我们又可以把该种材料分为电子型导电高分子和离子型导电高分子,前者则是该领域内的研究重点方向。与传统的导电材料不同,该高分子导电材料除具有基本的导电功能以外,还具有雷达吸收波段,屏蔽电磁影响,抗静电等功能[52]。
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2.2 导电薄膜导电理论及监测理论基础
添加型高分子导电材料的导电机理相对来说较为复杂,其导电程度与导电粒子的数量及非导电树脂的基本性质有关,非导电树脂在常规状态下是绝缘的,涂料的导电功能主要是依靠导电粒子之间的相互连接形成通路。导电粒子虽在形状上各有不同,但导电性能基本相似,为了更好的研究其导电原理,在此均将其简化为圆形,如图 2.1 所示。在导电涂料中,导电粒子相互之间的状态主要有三种,即相互重叠、相互连接、相互分离。在图 2.2 中,a 表示相互重叠一部分,能够形成通路;b 表示两导电粒子相互连接,也能够导电;c 则表示两导电粒子相互分离,不能够导电。为更好的分析导电原理,我们假设沿导电方向上共有 N 条导电通路,用公式可表示为公式 2.1 所示:导电涂料的部分导电原理可以用隧道效应来解释。导电粒子与非导电树脂相互融合形成导电薄膜以后,导电粒子不可能做到均匀分布,部分导电粒子可以做到相互接触形成通路,另一部分则不能够导电,以单独粒子或部分粒子的方式分布在非导电树脂中。当这些孤立粒子或者部分相互结合的粒子之间距离很小时,且外场强较小时,由于热振动被激活的导电粒子外部的电子就可以穿过非导电树脂,跃迁到相邻但不相互连接的导电粒子上,从而形成较大的隧道电流。
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第 3 章 导电薄膜在表面监测中的基础性试验研究.......11
3.1 结构表面监测工作原理及方法...........11
3.2 基础性试验准备.......... 11
3.3 小梁加载验证试验...... 17
3.3.1 裂缝产生过程仿真模拟......17
3.3.2 实验过程..... 19
3.3.3 试验数据分析..... 20
3.4 导电薄膜电阻客观影响因素分析.......26
3.4.1 导电薄膜自身电阻变化规律探究...... 26
3.4.2 导电薄膜受温度影响探究..........27
3.4.3 不同方向裂缝对导电薄膜电阻变化影响...........31
3.5 本章小结......34
第 4 章 监测系统介绍及实际运用..........35
4.1 项目依托工程简介...... 35
4.2 监测系统介绍......35
4.2.1 传感器布置位置......... 35
4.2.2 监测系统架构..... 36
4.3 数据分析......38
4.4 应变与裂缝的监测及预警...........40
4.5 本章小结......44
第 5 章 结论与展望.........45
5.1 结论......45
5.2 论文展望......45
 
第 4 章 监测系统介绍及实际运用
 
4.1 表面监测系统依托工程简介
桥梁裂缝安全监控及评价的依托工程为长吉高速公路中的饮马河大桥。长吉高速公路是长珲高速公路(G12)的其中一段,是联结长春市和吉林市的干线公路,是国家“两纵两横”公路干线同江至三亚公路,长春至珲春支线的重要路段,项目建设期为 1995-1997年。位于该路中心桩号 K7+664 的饮马河大桥,全长 287.56 米,1996 年 07 月 30 日竣工,同年年 10 月正式通车,通车后运营正常,并定期进行养护。该桥上部主梁结构为预应力混凝土简支箱梁,下部结构为钻孔灌注桩基础,肋板式埋置桥台,柱式桥墩。饮马河大桥受极端寒冷气侯的影响、冰雪冻害及冬季氯盐类融雪剂的长期作用,桥梁上部主梁的混凝土出现耐久性病害,并且桥梁运营时间长、交通量大,因此选取该桥作为寒区冰冻及氯盐侵蚀环境下混凝土桥梁裂缝监控及安全评估等实施的依托工程。该实时监测系统需要实现全天 24 小时实时监测桥梁的裂缝数据即实时对导电薄膜的电阻阻值进行测量和存储,并且服务器端通过无线传输的方式将电阻阻值传输到办公室的客户端电脑上进行数据分析。因此需要以下几个模块:导电薄膜传感器、数据采集器、太阳能供电模块、无线传输模块、数据传输路径服务器和数据接收模块等。
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结论
 
本论文将导电薄膜基本特性进行试验研究,并将其运用到实际桥梁的表面监测当中,具体结论主要有以下几点:
1.详细论述了桥梁结构表面健康监测的意义及方法,了解目前常用方法存在的不足之处。
2.对导电薄膜的导电原理加以讨论,并对桥梁健康监测内容进行了介绍并论述了将其运用到结构表面监测中的可能性。
3.对导电薄膜的基本性能进行了试验研究。包括标定导电薄膜电阻与应变变化关系、导电薄膜电阻与裂缝有无及大小之间的关系,并对导电薄膜电阻随其本身大小、温度高低的变化而变化的规律进行了试验并对结构加以分析,结论证明,该种材料弹性好、精度高、造价低等优点,能够运用到未来的结构健康监测领域。
4.将该材料与数据传输、太阳能供电系统等组成一套桥梁应变及裂缝的监测系统,该系统安装于长吉高速饮马河大桥上,通过对系统进行调试,使得接收到数据十分符合现场的实际规律。通过有限元模型,将长吉高速饮马河大桥梁底端极限应变计算出来,并由此推算导电薄膜电阻变化范围,进而为该系统长期监测提供参考。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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