基于FBG的半潛式平臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞響應(yīng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究*

崔 磊,毛江鴻,金偉良,李立新

(1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院,浙江 寧波 315100;2.浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所,杭州 310058)

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基于FBG的半潛式平臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞響應(yīng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究*

崔 磊1,2,毛江鴻1*,金偉良1,2,李立新1

(1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院,浙江 寧波 315100;2.浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所,杭州 310058)

半潛式平臺(tái)在深海服役期間其關(guān)鍵部位的疲勞響應(yīng)監(jiān)測(cè)和超載預(yù)警是至關(guān)重要的。基于光纖布拉格光柵(FBG)監(jiān)測(cè)原理,對(duì)半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了疲勞響應(yīng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究和疲勞損傷后的極限強(qiáng)度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究,通過FBG與應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比,分析了節(jié)點(diǎn)應(yīng)變和位移變化規(guī)律,探討了平臺(tái)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)疲勞響應(yīng)和疲勞剩余極限強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)方法。試驗(yàn)結(jié)果表明,FBG的疲勞響應(yīng)監(jiān)測(cè)值與應(yīng)變計(jì)的監(jiān)測(cè)值接近,曲線變化趨勢(shì)一致,應(yīng)變變化規(guī)律與位移變化規(guī)律比較吻合。FBG傳感器能夠監(jiān)測(cè)到結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的疲勞響應(yīng)和疲勞剩余極限強(qiáng)度的變化,可以為半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估和運(yùn)行維護(hù)提供參考。

光纖布拉格光柵;疲勞響應(yīng);監(jiān)測(cè)試驗(yàn);關(guān)鍵節(jié)點(diǎn);半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)

隨著我國(guó)深海油氣資源開發(fā)的快速發(fā)展,半潛式平臺(tái)即將進(jìn)入規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用階段。由于疲勞、腐蝕、材料老化等因素的影響,在風(fēng)、浪、流等環(huán)境荷載和作業(yè)動(dòng)荷載的循環(huán)作用下,半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷積累,出現(xiàn)疲勞裂紋,進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度降低,導(dǎo)致平臺(tái)發(fā)生疲勞破壞。為了預(yù)防平臺(tái)疲勞破壞事故的發(fā)生,確保平臺(tái)安全可靠運(yùn)行,平臺(tái)結(jié)構(gòu)的疲勞響應(yīng)監(jiān)測(cè)研究已顯得非常迫切。

光纖布拉格光柵(FBG)傳感器作為一種新型的傳感器,具有良好的穩(wěn)定性、可靠性,對(duì)電磁波不敏感、尺寸小,適合在高溫、腐蝕性或危險(xiǎn)性大的環(huán)境中使用,因此在結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)方面得到了廣泛的應(yīng)用[1]。FBG傳感器可以用來監(jiān)測(cè)裂紋的擴(kuò)展,在一定程度上能夠判斷出裂紋頂端所處的位置[2],提供瞬時(shí)而又豐富的傳感信息,從而為操作人員提供所需要的早期危險(xiǎn)報(bào)警和損傷評(píng)估,保證結(jié)構(gòu)的安全[3]。金屬封裝FBG應(yīng)變傳感器具有良好的靈敏性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性,是海洋結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的理想器件[4],適合在海洋工程環(huán)境中長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。美國(guó)海軍對(duì)光纖光柵傳感技術(shù)非常重視,已經(jīng)開發(fā)了用于各種結(jié)構(gòu)多點(diǎn)應(yīng)力測(cè)量傳感技術(shù),對(duì)一艘現(xiàn)役排雷船安裝了100多個(gè)FBG傳感器,應(yīng)用解調(diào)儀對(duì)船體進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),測(cè)試FBG傳感器的性能[5]。歐進(jìn)萍等[6]在海洋環(huán)境荷載實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,提出了海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)安全評(píng)估的方法,采用Delphi開發(fā)出了海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。金偉良等[7-9]分析了分布式光纖傳感技術(shù)及其在海底管道健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用情況和面臨的問題,研究了分布式光纖傳感技術(shù)在海底管道健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。Sun等[10]進(jìn)行了海洋平臺(tái)模型的振動(dòng)試驗(yàn)研究,用FBG傳感器監(jiān)測(cè)了海洋平臺(tái)模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng),分析結(jié)果得出FBG傳感器優(yōu)于應(yīng)變計(jì),可以滿足動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量的要求。Sans等[11]將FBG傳感器應(yīng)用于碳增強(qiáng)復(fù)合材料的監(jiān)測(cè),分析了影響裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)的Paris公式材料常數(shù)和能量閾值,得出光學(xué)監(jiān)測(cè)方法可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)Paris公式中的指數(shù),但能量閾值取決于測(cè)量裂紋增長(zhǎng)。基于頻譜互相關(guān)分析,Bao等[12]研究了應(yīng)用FBG傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展,提出的頻譜互相關(guān)分析和疲勞損傷裂紋的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法。Philipp等[13]對(duì)浮式海洋能量轉(zhuǎn)換器系泊纜的疲勞損傷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和預(yù)測(cè),提出了優(yōu)化系泊設(shè)計(jì)和評(píng)估其疲勞損傷的方法?；诹鸭y可以誘導(dǎo)異常磁信號(hào),Dong等[14]研究了鐵磁材料的疲勞裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè),分析了該方法預(yù)測(cè)鐵磁材料疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的可能性。而對(duì)于深水半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的疲勞響應(yīng)監(jiān)測(cè)以及疲勞損傷后超載預(yù)警這一研究領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究不多。

基于FBG監(jiān)測(cè)原理,本文針對(duì)深水半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)制作了試驗(yàn)?zāi)Ｐ?進(jìn)行了平臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞響應(yīng)監(jiān)測(cè)和疲勞損傷后極限強(qiáng)度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究,對(duì)比分析了FBG傳感器與應(yīng)變計(jì)傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

1 FBG監(jiān)測(cè)原理

FBG是基于一種反射原理成功應(yīng)用于傳感技術(shù)上的,即當(dāng)一束廣譜光被傳播到光纖光柵的時(shí)候,光折射率被改變以后的每一小段光纖就會(huì)反射一種特定波長(zhǎng)的光波,而其他波長(zhǎng)的光波都會(huì)被傳播,特定光波的波長(zhǎng)滿足Bragg定理[15]

λb=2neffΛ

(1)

式中,λb為初始的反射波長(zhǎng);neff為光纖纖芯的有效折射率;Λ為光柵周期。

將FBG應(yīng)變傳感器粘貼或焊接在平臺(tái)結(jié)構(gòu)上,結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)處的軸向應(yīng)變通過粘貼或焊接傳遞到光纖上,應(yīng)變的改變會(huì)影響光纖光柵有效的光折射率neff以及光柵周期Λ,從而改變了光柵反射光波波長(zhǎng)。FBG傳感器反射波長(zhǎng)隨應(yīng)變的變化可以用下式表示[16]

(2)

式中,Δλb為反射波長(zhǎng)的變化;P11、P12為應(yīng)變光學(xué)靈敏系數(shù);μ為泊松比;ε為光柵所受到軸向應(yīng)變。

Δλb/λb=(1-pe)ε

(3)

式中,pe為光纖Bragg光柵的有效彈光系數(shù);通常纖芯的折射率neff=1.456[17],光纖的泊松比μ=0.17,彈性系數(shù)P11=0.121、P12=0.270。令Kε=1-pe,則

Δλb/Δλb=Kεε

(4)

式中,Kε為光纖光柵軸向應(yīng)變靈敏度,典型中心波長(zhǎng)的光纖光柵應(yīng)變靈敏度為:λb=1 300 nm時(shí)為1 pm/με,λb=1 550 nm時(shí)為1.2 pm/με。

FBG傳感器能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)變的變化來改變其反射光波的波長(zhǎng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2 平臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及試件

試驗(yàn)材料采用高強(qiáng)度海洋平臺(tái)用鋼板E36,其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和表2所示,材料的彈性模量和泊松比滿足設(shè)計(jì)要求。鋼板厚度分別為:加勁板30 mm(試驗(yàn)試件中稱為基材或母板)、肋板20 mm、肘板12 mm。

表1 試驗(yàn)鋼材化學(xué)成分

表2 鋼材力學(xué)性能

試驗(yàn)采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊,選用與試驗(yàn)鋼材相匹配的焊接材料(焊條牌號(hào)為J506RH)進(jìn)行焊接,其化學(xué)成分以及焊接后熔敷金屬力學(xué)性能如表3和表4所示。

表3 焊接材料的化學(xué)成分

表4 熔敷金屬力學(xué)性能

根據(jù)半潛式平臺(tái)橫撐內(nèi)肘板支撐的細(xì)部構(gòu)造,如圖1所示,設(shè)計(jì)制作了疲勞監(jiān)測(cè)試驗(yàn)試件,如圖2所示,具體尺寸為:母板尺寸為500 mm×80 mm×30 mm,肘板尺寸為(100 mm+180 mm)×100 mm×12 mm;焊趾高10 mm,焊踵圓拱半徑20 mm。

圖1 半潛式平臺(tái)橫撐內(nèi)的肘板支撐細(xì)部

圖2 試件尺寸

2.2 試驗(yàn)裝置及加載

試驗(yàn)采用Instron 8805液壓伺服疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行加載,加載頻率設(shè)定為4 Hz,加載波形為正弦波。為了能夠更好反映出疲勞監(jiān)測(cè)的效果和結(jié)果的準(zhǔn)確性,疲勞監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的加載分為3個(gè)階段,各試件的加載參數(shù)如表5所示。采用imc動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采集焊趾處應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變數(shù)據(jù),采集頻率為100 Hz,可以采集到每個(gè)循環(huán)的應(yīng)變變化。采用寧波杉工生產(chǎn)的表面式GFRP封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè),應(yīng)用SM130-700光纖光柵傳感解調(diào)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

FBG傳感器布設(shè)前,先將節(jié)點(diǎn)焊趾處焊接殘?jiān)?、咬邊進(jìn)行打磨處理,以便傳感器和應(yīng)變計(jì)的布設(shè)。FBG傳感器的布設(shè)主要有點(diǎn)焊法和粘鋼膠粘結(jié)法兩種方法,由于在點(diǎn)焊過程中容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力,再加上FBG傳感器接頭金屬材料和鋼材焊接融合性差,疲勞試驗(yàn)時(shí)FBG傳感器與試件的點(diǎn)焊連接處極易發(fā)生疲勞破壞,從而導(dǎo)致FBG傳感器失效。粘鋼膠具有粘接力剪切力強(qiáng)、耐老化、耐疲勞、耐腐蝕,目前常用于鋼板加固、建筑材料的自粘和互粘,在疲勞試驗(yàn)研究中也已有應(yīng)用,能夠滿足試驗(yàn)要求,因此,試驗(yàn)采用粘鋼膠粘結(jié)法,將FBG傳感器兩端金屬粘結(jié)在試件焊趾部位,如圖3所示。FBG傳感器的中點(diǎn)與焊趾對(duì)中,在傳感器中部和焊趾處布設(shè)應(yīng)變計(jì),用于對(duì)比分析FBG與應(yīng)變計(jì)的試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果。

表5 疲勞監(jiān)測(cè)試驗(yàn)加載參數(shù)

圖3 FBG傳感器的布設(shè)

由于應(yīng)變計(jì)的測(cè)量標(biāo)距與FBG傳感器的監(jiān)測(cè)標(biāo)距不同,為了保證監(jiān)測(cè)點(diǎn)的一致性,布設(shè)時(shí)將應(yīng)變計(jì)中點(diǎn)與FBG傳感器中點(diǎn)對(duì)中,粘接點(diǎn)軸向布設(shè)在焊趾的兩側(cè),其布設(shè)具體位置如圖4所示。

圖4 FBG傳感器與應(yīng)變計(jì)的布設(shè)位置

為了在試件的焊趾及焊接區(qū)域獲得幅值穩(wěn)定的純彎曲應(yīng)力,試驗(yàn)采用四點(diǎn)彎曲加載方法,加載示意圖如圖5所示。試件正式加載前,先進(jìn)行預(yù)加載,預(yù)加載的目的是為了檢測(cè)試件各部分是否接觸良好,試驗(yàn)儀器是否正常工作,試驗(yàn)試件是否對(duì)中等。預(yù)加載時(shí)荷載值需嚴(yán)格控制,必須在試件彎曲極限荷載計(jì)算值的50%以內(nèi),確保試件變形在彈性范圍內(nèi)。檢查整個(gè)試驗(yàn)工作正常后卸載至零,然后進(jìn)行疲勞監(jiān)測(cè)試驗(yàn)加載,如圖6所示。

圖5 疲勞加載試驗(yàn)的示意圖

圖6 疲勞監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

疲勞循環(huán)加載完畢后卸載至零,最后進(jìn)行疲勞循環(huán)加載后的極限強(qiáng)度監(jiān)測(cè)試驗(yàn),采用位移控制進(jìn)行加載,加載速度為0.1 mm/min,為了防止FBG傳感器被破壞,試件過屈服點(diǎn)后停止加載。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 疲勞響應(yīng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果分析

疲勞響應(yīng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)FBG傳感器和應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。通過編程提取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中每個(gè)循環(huán)的應(yīng)變最大值和最小值,將FBG和應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中各循環(huán)的應(yīng)變最大值和最小值與疲勞循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)起來,進(jìn)行對(duì)比分析。

試件FMT1三個(gè)階段的加載幅值分別為50 kN、45 kN和40 kN,每個(gè)階段疲勞循環(huán)加載次數(shù)為30 000次,共90 000次。疲勞試驗(yàn)機(jī)的荷載位移傳感器可以采集到疲勞過程中試件的位移與疲勞循環(huán)次數(shù),從而可以得到疲勞試驗(yàn)過程中試件的位移與疲勞循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。

圖7 FMT1 d-N關(guān)系曲線

從圖7FMT1位移-疲勞循環(huán)次數(shù)(d-N)關(guān)系曲線中可以看出,第1階段的位移幅值大于第2階段,第2階段的位移幅值大于第3階段,即位移幅值隨著加載幅值的逐階減小而減小。由于疲勞循環(huán)荷載最小值逐階增大,因此疲勞循環(huán)次數(shù)在30 000次和60 000次所對(duì)應(yīng)的最小位移曲線上有明顯的增大臺(tái)階。因?yàn)槠谘h(huán)荷載的最大值沒變,所以位移最大值的曲線上沒有變化臺(tái)階,最大位移隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大。

圖8給出了試件FMT1焊趾處應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)值與FBG監(jiān)測(cè)值的應(yīng)變-疲勞循環(huán)次數(shù)(ε-N)關(guān)系曲線對(duì)比,從圖中可以看出,兩者非常接近且變化趨勢(shì)一致。第1階段的應(yīng)變幅值大于第2階段,第2階段的應(yīng)變幅值大于第3階段,即應(yīng)變幅值隨著加載幅值的逐階減小而減小;由于疲勞循環(huán)荷載最小值逐階增大,因此,疲勞循環(huán)次數(shù)在30 000次和60 000次所對(duì)應(yīng)的最小應(yīng)變曲線上有明顯的增大臺(tái)階。因?yàn)槠谘h(huán)荷載的最大值沒變,所以應(yīng)變最大值的曲線上沒有變化臺(tái)階,最大應(yīng)變隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大,應(yīng)變變化規(guī)律與位移變化規(guī)律一致。

圖8 FMT1焊趾處FBG與應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)值的對(duì)比曲線

試件FMT2三個(gè)階段的加載幅值分別為40 kN、45 kN和50 kN,每個(gè)階段的疲勞循環(huán)加載次數(shù)為30 000次,共90 000次。

從圖9中FMT2d-N關(guān)系曲線可以看出,第1階段的位移幅值小于第2階段,第2階段的位移幅值小于第3階段,即位移幅值隨著加載幅值的逐階增大而增大。由于疲勞循環(huán)荷載的最小值逐階減小,因此疲勞循環(huán)次數(shù)在30 000次和60 000次所對(duì)應(yīng)的最小位移曲線上有明顯的減小臺(tái)階。在從低到高的變幅疲勞循環(huán)荷載作用下,第3階段出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展加速現(xiàn)象,如圖9中圓圈內(nèi)所示,由此可以推測(cè)試驗(yàn)的FBG監(jiān)測(cè)值和應(yīng)變計(jì)實(shí)測(cè)值也應(yīng)該有相似變化規(guī)律。

圖9 FMT2 d-N關(guān)系曲線

圖10給出了試件FMT2焊趾處應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)值與FBG監(jiān)測(cè)值的ε-N關(guān)系曲線對(duì)比,從圖中可以看出,兩者非常接近且變化趨勢(shì)一致。第1階段的應(yīng)變幅值小于第2階段,第2階段的應(yīng)變幅值小于第3階段,即應(yīng)變幅值隨著加載幅值的逐階增大而增大;由于疲勞循環(huán)荷載最小值逐階減小,因此,疲勞循環(huán)次數(shù)在30 000次和60 000次所對(duì)應(yīng)的最小應(yīng)變曲線上有明顯的減小臺(tái)階;在第3階段也出現(xiàn)了應(yīng)變加速增大現(xiàn)象,應(yīng)變變化規(guī)律與位移變化規(guī)律一致。

圖10 FMT2焊趾處FBG與應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)值的對(duì)比曲線

試件FMT3三個(gè)階段的加載幅值和疲勞循環(huán)加載次數(shù)不變,分別為50 kN和30 000次,共90 000次。

從圖11中FMT3d-N關(guān)系曲線可以看出,3個(gè)階段的位移幅值隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加略有增大,沒有明顯增大或減小臺(tái)階,曲線上最大位移和最小位移隨著疲勞循環(huán)次數(shù)逐漸增大。

圖12給出了試件FMT3焊趾處應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)值與FBG監(jiān)測(cè)值的ε-N關(guān)系曲線對(duì)比,從圖中可以看出,兩者的變化趨勢(shì)一致。3個(gè)階段的應(yīng)變幅值隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加變化不大,最大應(yīng)變和最小應(yīng)變隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加略有增大,曲線上沒有明顯增大或減小臺(tái)階,應(yīng)變變化規(guī)律與位移變化規(guī)律一致。

圖11 FMT2 d-N關(guān)系曲線

圖12 FMT2焊趾處FBG與應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)值的對(duì)比曲線

3.2 疲勞剩余極限強(qiáng)度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果分析

疲勞循環(huán)加載完畢后卸載至零,然后進(jìn)行疲勞損傷后的剩余極限強(qiáng)度監(jiān)測(cè)試驗(yàn),表6給出了疲勞剩余極限強(qiáng)度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果,從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出后屈服極限強(qiáng)度FBG監(jiān)測(cè)值與應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)值比較接近,說明可以用FBG傳感器監(jiān)測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的極限強(qiáng)度。由于FBG傳感器的監(jiān)測(cè)標(biāo)距略大于應(yīng)變計(jì)的測(cè)量標(biāo)距,因此,其監(jiān)測(cè)值略小于應(yīng)變計(jì)的監(jiān)測(cè)值。

表6 疲勞剩余極限強(qiáng)度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

圖13至圖15分別給出了FMT1、FMT2和FMT3疲勞損傷后的剩余極限強(qiáng)度FBG監(jiān)測(cè)值與應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)值的應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)對(duì)比曲線,從圖中可以看出,FBG監(jiān)測(cè)值略小于應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)值,但兩者較為接近。疲勞循環(huán)加載結(jié)束后卸載至零,FBG傳感器監(jiān)測(cè)到的殘余應(yīng)變小于應(yīng)變計(jì)實(shí)測(cè)的殘余應(yīng)變,因此,圖中應(yīng)變監(jiān)測(cè)曲線的起點(diǎn)在應(yīng)變計(jì)應(yīng)變監(jiān)測(cè)曲線的起點(diǎn)之前。

從上述疲勞響應(yīng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)和疲勞損傷后剩余極限強(qiáng)度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中可以看出:FBG監(jiān)測(cè)值與應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)值非常接近,且曲線變化規(guī)律一致,說明FBG傳感器能夠監(jiān)測(cè)到結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的疲勞響應(yīng)以及疲勞損傷后剩余極限強(qiáng)度的變化,從而可以為平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估和運(yùn)行維護(hù)提供參考。

圖13 FMT1疲勞剩余極限強(qiáng)度監(jiān)測(cè)值對(duì)比曲線

圖14 FMT2疲勞剩余極限強(qiáng)度監(jiān)測(cè)值對(duì)比曲線

圖15 FMT3疲勞剩余極限強(qiáng)度監(jiān)測(cè)值對(duì)比曲線

4 總結(jié)與展望

本文基于FBG監(jiān)測(cè)原理,研究了半潛式平臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞響應(yīng)以及疲勞損傷后剩余極限強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)方法,得到如下結(jié)論:①疲勞響應(yīng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究得到焊趾處的FBG監(jiān)測(cè)值與應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)值非常接近,曲線變化趨勢(shì)一致,應(yīng)變變化規(guī)律與位移變化規(guī)律比較吻合,可以采用FBG傳感器進(jìn)行平臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞響應(yīng)監(jiān)測(cè)。②疲勞剩極限強(qiáng)度試驗(yàn)得出FBG能夠監(jiān)測(cè)到平臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞損傷后剩余極限強(qiáng)度,監(jiān)測(cè)結(jié)果與應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果相接近,可以反映出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞損傷后剩余極限強(qiáng)度的變化規(guī)律。③FBG傳感器可以監(jiān)測(cè)到平臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞和荷載變化,能夠反映出結(jié)構(gòu)受力變化的趨勢(shì)。較為準(zhǔn)確記錄關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)破壞前的受力變化規(guī)律,從而可以為平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估和運(yùn)行維護(hù)提供參考。

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崔磊(1982-),男,博士,講師,主要研究方向結(jié)構(gòu)疲勞損傷識(shí)別及其在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用,lcui@zju.edu.cn;

毛江鴻(1985-),男,博士,講師,主要研究方向?yàn)榉植际焦饫w傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用,jhmao@nit.zju.edu.cn;

金偉良(1961-),男,教授,博士生導(dǎo)師,浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院院長(zhǎng),學(xué)術(shù)方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)可靠度及耐久性;

李立新(1967-),男,博士,主要研究方向?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)及安全性評(píng)估,lilixin@nit.zju.edu.cn。

AStudyofFatigueResponseontheKeyJointofSemi-SubmersiblePlatformUsingFiberBraggGrating*

CUILei1,2,MAOJianghong1*,JINWeiliang1,2,LILixin1

(1.Ningbo Institute of Technology,Zhejiang University,Ningbo Zhejiang 315100,China;2.Institute of Structural Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)

Fatigue response monitoring and overload warning on the key joints of semi-submersible platform are crucial during service in deepwater. Based on the monitoring principle of fiber Bragg grating(FBG),fatigue response monitoring test and residual ultimate strength monitoring test after fatigue damage on key joints of semi-submersible platform structures were investigated. Changing laws of strain and displacement were analyzed by comparing the measuring results of FBG and strain gauge. Monitoring methods of fatigue response and fatigue residual ultimate strength on key joints of semi-submersible platform structures were discussed. The test results show that the monitoring values obtained from FBG and strain gauge are very close to each other. The curve trend gained from the monitoring values of FBG is consistent with the strain gauge,and the changing laws of strains agree with the changing laws of displacements. The changes of fatigue response and fatigue residual ultimate strength of the structural joints can be monitored by FBG sensors,which can act as a reference for the safety assessment and operating maintenance of the semi-submersible platform structures.

fiber Bragg grating;fatigue response;monitoring test;key joint;semi-submersible platform structures

項(xiàng)目來源:國(guó)家自然科學(xué)基金(51408544);浙江省自然科學(xué)基金(LQ14E090002);寧波市自然科學(xué)基金(2014A610170);寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(2011B81005)

2014-08-01修改日期:2014-10-08

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.11.025

TN29;TU317

:A

:1004-1699(2014)11-1578-07