成都国际结构健康监测会议

1、 PCCP极限内压承载力光纤监测技术研究汇报人： 曾绍洪指导老师： 施斌 教授 2022/7/9汇报提纲1研究背景光纤传感技术简介2PCCP极限内压承载力实验研究3结论与展望4研究背景2022/7/9PCCP铺管实物图PCCP管结构示意图 PCCP管是预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder pipe）的简称由混凝土、钢筒、钢丝及砂浆组成的高强度的复合管材，具有强度高、抗渗性强、耐久性好、工程造价和维护费用低等特点而广泛应用于市政排水、长距离有压输水等基础工程中。如利比亚“大人工河”、山西万家寨引黄工程、南水北调等工程等研究背景美国，19422006年的6

2、5年中共发生了399次爆管事故（数据来自AWWARF 4304报告“PCCP的失效破坏”）。利比亚大人工河工程一期投入使用后，6年间发生5起爆管。爆管预应力钢丝腐蚀冲剪破坏爆管南水北调中线工程大量使用PCCP管，但研制以及成品管 的质量控制还没有成熟的经验。隐蔽工程，工程地质条件复杂，服役周期长结构复杂，现有的关于PCCP内压承载力研究成果较少且多基于数值模拟水击、地震等会使管道瞬间产生较高内水压力使管道破坏选用合适的监测技术对PCCP在极限内水压作用下承载机理的研究是十分必要的。研究背景1、需要监测哪些项目？研究PCCP结构内压承载机理管芯混凝土（钢筒内侧和钢筒外侧）应变；钢筒应变（贴在钢筒

3、内测）；预应力钢丝应变；保护层砂浆应变；3、传统监测技术？传统监测如电阻式应变片、振弦式传感器？光纤传感技术？点式检测，容易漏检，精细化程度不高；检测探头过大，传导线过多，影响监测效果安装复杂，传感器成活率低；易零飘，耐久性差光纤监测技术2、采用何种监测技术？光纤传感技术简介1.光纤传感技术：一种以光为载体、光纤为媒介的新型传感技术分布式光纤传感技术（DFOS） 光纤布拉格光栅（FBG） 光时域/频域反射(OTDR/OFDR） 拉曼光时域/频域反射（ROTDR/ROFDR） 布里渊光时域反射 (BOTDR） 受激布里渊光时域/频域分析（BOTDA/BOFDA） 复用 散射光光纤传感技术简介2.

4、光纤传感技术的特点分布式，精细化: 连续获得沿线各点分布信息 易于安装：感测光纤直埋、捆绑或刻槽粘贴即可 动态监测，部分功能实时监测： 如BOTDR 和FBG 抗干扰、耐腐蚀 不影响待测体质量：感测光纤纤细柔软， 匹配性好 性价比高：按照实现分布式检测功能的传统方法比较， 提高约30倍以上根据PCCP管结构特点选用受激布里渊分布式传感技术BOTDA和布拉格光栅FBG技术光纤传感技术BOTDA原理L1L2受激布里渊分布式光纤传感（BOTDA）布里渊散射光频率变化量与光纤轴向应变或环境温度之间呈线性关系传感优势：分布式监测、空间分辨率高、感测精度高光纤测量采样点光纤传感技术FBG原理入射光反射光光

5、纤栅区-传感区1cm2cm反射波长变化与应变（温度）变化成线性关系受拉波长光强I光强I波长受拉应变波长增大受布拉格光纤光栅FBG技术传感优势测量精度高（12 ）， 多个串联（单通道可串50个传感器）PCCP极限内压承载力实验一、研究内容研究PCCP管极限内水压作用下的承载机理和破坏特征二、实验监测方案（1）管体不同结构（管芯混凝土内外侧、钢筒、预应力钢丝和砂浆）采用不同的光纤传感器和布设工艺。（2）管体上选择7个横断面，在每一个横断面每间隔90的位置共布设4个FBG（3）在钢筒、管芯混凝土内侧每一横断面布设分布式光纤（4）管道内压用FBG渗压计动态监测，温度由光栅温度计实时监测三、PCCP原型

6、实验（1）套筒式加压装置模拟加压（2）初始压力值0MPa，以0.1MPa为一梯度升压,每达到一目标压力稳压5min再加压,直至压力达到2.25MPa。（3）整个加压过程中,FBG解调仪不间断的采集应变数据，每一级稳压后的5min，BOTDA采集一次数据。内压实验全貌加压装置测试仪器PCCP管内压承载力实验监测方案PCCP管内压承载力实验监测方案图b NZS-FBG-A04型光纤光栅网络分析仪图a PPP-BOTDA（NBX-6050A）铜带式应变计裸栅渗压计（量程03MPa）分布式光纤补偿温度计 PCCP管体光纤传感器布置图The layout of optical fiber sensor

7、on the PCCPPCCP管内压承载力实验监测方案插口承口PCCP管内压承载力实验监测方案PCCP管内压承载力实验传感器布设工艺监测结果与分析1.加压过程PCCP各层结构整体变形规律 （1）01.7 MPa管体各层结构均匀受力、变形协调（2）1.7MPa、1.8MPa后管芯内、外侧混凝土分别开始发生损伤破坏；（3）1.9MPa后混凝土出现裂纹，内压主要由预应力钢丝承担监测结果与分析2.钢筒在加压过程的应变规律 （a）钢筒在加压过程各断面FBG应变时程曲线（1）02.0MPa钢筒处于弹性变形阶段，此后钢筒发生塑性变形（2）从分布式光纤可以明显看出钢筒变形有三个阶段：01.8MPa 线弹性变形

8、；1.82.0MPa非线性变形；2.02.25MPa屈服变形屈服压力2.0MPa混凝土破坏分布式光纤数据形象直观！（b）钢筒在加压过程中分布式光纤应变监测结果与分析3.管芯混凝土在加压过程的变形规律（a）内侧管芯混凝土应变与内压的变化关系 （b）外侧管芯混凝土应变与内压的变化关系监测结果与分析4.预应力钢丝的变形规律预应力钢丝在加压和泄压过程的应变时程曲线1.86MPa后预应力钢丝为PCCP主要受力构件2.05MPa钢丝开始屈服监测结果与分析 （a）砂浆上应变与与内压变化关系 （b） 加压过程砂浆上3.3处横断面分布式光纤应变5.砂浆变形规律无裂缝应变为140.3,砂浆出现宏观裂缝为1122.

9、4软化微观裂纹出现宏观裂纹结论与展望（1）获得了PCCP内压在01.8MPa，管道受力均匀，各层结构变形较协调一致并共同抵御内压。其中00.9MPa内管道各层结构处于弹性变形阶段。同时由于钢丝的预压应力作用，砂浆较管芯混凝土早出现微裂缝，砂浆和管芯混凝土出现微裂缝内压分别为0.9MPa、1.2MPa；实验PCCP管初裂内水压为1.9MPa。1.92.25MPa为钢丝和钢筒屈服阶段，其中钢筒、预应力钢丝屈服内水压力为2.0MPa、2.25MPa。（2）混凝土基本丧失环向强度后，但能传递径向应力，内水压力主要由预应力钢丝承担。（3）极限内水压时，PCCP表现为管芯混凝土最终拉裂破坏和钢丝屈服。（4）以上的分析和监测结果表明：基于BOTDA原理的分布式光纤感测技术及FBG感测技术，能够成功的运用于PCCP管道结构健康监测，不仅能精确的监测PCCP在抗裂内压作