CN109470161B - 一种基于白光干涉传感技术的安全壳性能评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及重大土木结构工程安全监测和核安全领域，具体涉及一种基于白光干涉传感技术的安全壳性能评价方法，包括如下步骤：在安全壳上铺设传感光纤；获取筒体的真实应变值及径向位移值；获得筒体的理论应变值及径向位移值；对安全壳进行性能评价，判断安全壳是否满足整体强度要求，本发明基于白光干涉传感技术的安全壳性能评价方法在安全壳混凝土结构预埋振弦传感器失效的情况下仍可以进行整体性能评价，且具有多区域铺设、长距离、高精度、数据量大、直观，可消除局部位置的偶然误差等创新点和优点，可满足现有预埋应变监测传感器补充和失效前升级改造需要，为核电厂的长寿期运行提供保证。

Description

一种基于白光干涉传感技术的安全壳性能评价方法

技术领域

本发明涉及重大土木结构工程安全监测和核安全领域，具体涉及一种基于白光干涉传感技术的安全壳性能评价方法。

背景技术

光纤传感器具有众多优势，它体积小、抗电磁干扰无漂移、耐久性好、传输距离远，其中白光干涉传感器基于迈克尔逊干涉原理，具有长距离传输、整体应变实时监测等优点，目前已逐渐在结构健康监测领域得到应用，是一种潜在应用于土木工程结构长期健康监测的良好传感器。目前已初步应用于钢筋混凝土腐蚀监测、混凝土的冻融损伤监测等领域。

传统安全壳结构整体性评价主要基于安全壳建造阶段预埋的若干数量振弦应力计，通过日常运行期间安全壳强度试验和十年大修打压试验期间的安全壳强度试验来进行评价和预测，其中混凝土应变是非常重要的指标之一，然而预埋振弦传感器随着服役时间增长发生失效且无法维修或更换的可能性和严重程度均会增加。IAEA(国际原子能机构)指出“法国核电站此类传感器平均故障率约为每年2％”，目前部分核电厂预埋振弦式应变监测传感器也出现一定比例失效，当失效比例进一步扩大，则监测数据的有效性不足以准确评价安全壳性能和安全状态，将最终导致核电站运行期间安全壳的结构性能无法处于有效监测状态下，不符合核安全监管的要求。预埋传感器的失效不可逆转且无法实现修复和更换，且目前国内核电厂正在申请延长二十年运行时间，对安全壳结构性能监测提出了更高的要求。

发明内容

本发明基于现有技术存在的问题提供一种基于白光干涉传感技术的安全壳性能评价方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于白光干涉传感技术的安全壳性能评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在安全壳上铺设传感光纤，具体为：

在筒体的顶部、中部和筏基部位的表面沿环向分别铺设水平传感光纤；

所述筒体自其顶部到中部间隔铺设多条竖向传感光纤；

在所述水平传感光纤和所述竖向传感光纤的铺设位置分别铺设温度补偿光纤，每一根传感光纤均一一相应的设有与其相配合的一根温度补偿光纤；

2)获取筒体的真实应变值及径向位移值

2.1)在白光干涉的光学回路中，设置步进电机为扫描镜，当光程条件满足时发生干涉，确定步进电机的干涉位置为X₀；在传感光纤一侧当其长度改变后，步进电机的位置变为X₁，则：

Δl＝|X₁-X₀|·L_N (1)

上述式(1)至式(2)中：

ε—传感光纤的应变；

L_N—步进电机的步长；

Δl—传感光纤绝对应变的和；

l₀—传感光纤的长度；

2.2)采用温度补偿光纤对上述传感光纤的实测应变值进行修正，即获得修正后筒体沿水平方向的真实应变值ε_0x和筒体沿竖直方向的真实应变值ε_0y；

2.3)通过式(3)获得筒体的真实径向位移ΔR₁：

ΔR₁＝R×ε_0x (3)

其中，R为筒体直径；

3)获得筒体的理论应变值及径向位移值

3.1)根据受力平衡方程，在水平切线方向有：

PR＝Δσ_c(t)A_c+Δσ_L(t)A_L+Δσ_s(t)A_s+Δσ_p(t)A_P (4)

Δσ_c(t)—混凝土单位面积应力增量；

Δσ_L(t)—钢衬里单位面积应力增量；

Δσ_s(t)—钢筋单位面积应力增量；

Δσ_p(t)—预应力钢束单位面积应力增量；

混凝土和钢衬里处于平面应力状态，根据第二强度理论：

ε_x—筒体水平切线方向应变；

E—弹性模量；

σ_x—筒体水平切线方向应力；

ν—泊松比；

σ_y—筒体竖直方向应力；

安全壳在内压下有：

由式(4)、式(5)和式(6)得水平切线方向应变为：

ν_c—混凝土泊松比；

ν_L—钢衬里碳钢泊松比；

根据受力平衡方程，在筒体竖直方向有：

Δσ_d(t)—预应力钢束套管单位面积应力增量；

混凝土和钢衬里处于平面应力状态，根据第二强度理论：

ε_y—筒体竖直方向应变；

安全壳在内压下有：

由式(7)、式(8)和式(9)得筒体竖直方向应变为：

上述式(4)至式(9)中：

PR—内压下混凝土水平切线方向单位长度集中力；

—内压下混凝土竖直方向单位长度集中力；

E_c、E_S、E_L、E_P、E_d—混凝土、钢筋、钢衬里、钢束、钢束套管对应的弹性模量；

A_c、A_S、A_L、A_P、E_d—混凝土、钢筋、钢衬里、钢束、钢束套管单位长度对应的截面面积；

3.2)通过式(10)获得筒体的理论径向位移ΔR₂：

ΔR₂＝R×ε_x(t) (10)

4)安全壳性能评价

当同时满足以下两个条件时，安全壳满足整体强度要求：

条件一，修正后筒体在水平及竖直方向的真实应变值以及径向位移值不超过相应的理论计算值的30％；

条件二，修正后筒体在水平及竖直方向的真实应变值以及径向位移值随安全壳内压力变化呈现线弹性特征。

进一步的，步骤1中，水平光纤分别设于筒体标高为+42.00m、+26.00m和-6.7m的位置。

进一步的，步骤1中，在筒体上铺设竖直光纤时，每两个扶壁柱之间铺设1-4根竖直传感光纤。

进一步的，步骤2.2中的修正方法为：将传感光纤测得的初始应变值减去同位置与其配合铺设的温度补偿光纤测得的应变值，即得修正后的真实应变值。

进一步的，步骤1中，在安全壳穹顶上沿其经线方向布设相互交叉的多条顶部传感光纤，所有的所述顶部传感光纤均一一相应的设有与其相配合的一根温度补偿光纤，监测所述顶部传感光纤的应变值并通过温度补偿光纤进行修正。

进一步的，所述安全壳穹顶上均匀间隔铺设三根相互交叉的所述顶部传感光纤。

进一步的，步骤4中需满足顶部传感光纤经修正后的应变值不大于理论计算值的30％且顶部传感光纤修正后的应变值随安全壳内压力变化呈现线弹性特性。

进一步的，铺设于穹顶的顶部传感光纤的理论应变值其计算方法包括：假定在内压作用下各构件应变相同，根据受力平衡方程有

混凝土和钢衬里处于平面应力状态，根据第二强度理论：

安全壳在内压下有：

解(11)(12)(13)得：

其中：

ε_Dx—穹顶沿圆弧面切线方向的应变；

σ_Dx—穹顶沿圆弧面切线方向的应力；

σ_Dy—穹顶沿竖直方向的应力；

ε_D(t)—混凝土强度试验下应变的改变量：

—内压下穹顶混凝土截面单位长度集中力。

采用以上技术方案后，本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明的评价方法首次实现将白光传感光纤技术应用到安全壳性能监测，创建新的光纤监测网络；现场安装与铺设简单，监测区域大，可实现长距离和多区域的监测；数据量大、理论精度高，且铺设的传感光纤长度越长精度越高。

(2)不需要破坏安全壳混凝土结构，仅在表面铺设即可，不会造成安全壳损伤和影响日常生产与运行；可连续监测，评价方法也比较准确直观和简单，并且本发明的理论计算模型充分考虑预应力系统、钢衬里、钢筋等对安全壳整体结构刚度的贡献，较以往计算方法考虑材料参数多，结果更为精准。

(3)若安全壳原预埋传感器失效，本发明的仍可实现继续连续监测，且测量范围更大、数据量更多。

附图说明

附图1为本发明的传感光纤和温度补偿光纤铺设在筒体上的展开结构示意图；

附图2为本发明的传感光纤和温度补偿光纤铺设在穹顶上的结构示意图；

附图3为本发明某一具体实施例中基于白光干涉传感技术的安全壳变形测量图。

1、筒体；2、穹顶；3、传感光纤；4、温度补偿光纤；5、扶壁柱。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

参见附图1至附图2，安全壳包括预应力混凝土圆筒形筒体1、位于筒体1上方的圆弧状穹顶2以及位于筒体1底部的钢筋混凝土厚基础板，筒体1内表面设置钢衬里。筒体1竖向预应力钢束从预应力廊道上顶部开始，到竖向墙体与穹顶2交接处；筒体1水平预应力钢束从筒体1底部到顶部，并设置内外两层预应力钢束；穹顶2预应力钢束分为3层，采用120°相互交叉且每层轴线间的夹角为60°形式，钢束上套设有钢束套管。

本发明的一种基于白光干涉传感技术的安全壳性能评价方法，包括如下步骤：

1)在安全壳上铺设传感光纤3，具体为：

在筒体1的顶部、中部和筏基部位的表面沿环向分别铺设水平传感光纤3，优选的，水平传感光纤3分别设于筒体1标高为+42.00m、+26.00m和-6.7m的位置。

筒体1自其顶部到中部间隔铺设多条竖向传感光纤3，优选在每两个扶壁柱5之间铺设1-4根竖直传感光纤3。本实施例中，每两个扶壁柱5之间铺设2根竖直传感光纤3。

在水平传感光纤3和竖向传感光纤3的铺设位置分别铺设温度补偿光纤4，每一根传感光纤3均一一相应的设有与其相配合的一根温度补偿光纤4。

2)获取筒体1的真实应变值及径向位移值

2.1)在白光干涉的光学回路中，设置步进电机为扫描镜，当光程条件满足时发生干涉，确定步进电机的干涉位置为X₀；在传感光纤3一侧当其长度改变后，步进电机的位置变为X₁，则：

Δl＝|X₁-X₀|·L_N (1)

上述式(1)至式(2)中：

ε—传感光纤3的应变；

L_N—步进电机的步长；

Δl—传感光纤3绝对应变的和；

l₀—传感光纤3的长度。

2.2)采用温度补偿光纤4对上述传感光纤3的实测应变值进行修正，修正方法为：将传感光纤3测得的初始应变值减去同位置与其配合铺设的温度补偿光纤4测得的应变值，即获得修正后筒体1沿水平方向的真实应变值ε_0x和筒体1沿竖直方向的真实应变值ε_0y。

2.3)通过式(3)获得筒体1的真实径向位移ΔR₁：

ΔR₁＝R×ε_0x (3)

其中，R为筒体1直径。

3)获得筒体1的理论应变值及径向位移值

3.1)根据受力平衡方程，在水平切线方向有：

PR＝Δσ_c(t)A_c+Δσ_L(t)A_L+Δσ_s(t)A_s+Δσ_p(t)A_P (4)

Δσ_c(t)—混凝土单位面积应力增量；

Δσ_L(t)—钢衬里单位面积应力增量；

Δσ_s(t)—钢筋单位面积应力增量；；

Δσ_p(t)—预应力钢束单位面积应力增量

混凝土和钢衬里处于平面应力状态，根据第二强度理论：

ε_x—x轴(筒体水平)方向应变；

E—弹性模量；

σ_x—x轴(筒体水平)方向应力；

ν—泊松比；

σ_y Y轴(竖向)方向应力；

安全壳在内压下有：

由式(4)、式(5)和式(6)得水平切线方向应变为：

ν_c—混凝土泊松比；

ν_L—钢衬里碳钢泊松比；

根据受力平衡方程，在筒体1竖直方向有：

Δσ_d(t)—预应力钢束套管单位面积应力增量；

混凝土和钢衬里处于平面应力状态，根据第二强度理论：

ε_y—Y轴(竖向)方向应变

安全壳在内压下有：

由式(7)、式(8)和式(9)得筒体1竖直方向应变为：

上述式(4)至式(9)中：

PR—内压下混凝土水平切线方向单位长度集中力；

—内压下混凝土竖直方向单位长度集中力；

E_c、E_S、E_L、E_P、E_d—混凝土、钢筋、钢衬里、钢束、钢束套管对应的弹性模量；

A_c、A_S、A_L、A_P、E_d—混凝土、钢筋、钢衬里、钢束、钢束套管单位长度对应的截面面积。

3.2)通过式(10)获得筒体1的理论径向位移ΔR₂：

ΔR₂＝R×ε_x(t) (10)

4)安全壳性能评价

当同时满足以下两个条件时，安全壳满足整体强度要求：

条件一，修正后筒体1在水平及竖直方向的真实应变值以及径向位移值不超过相应的理论计算值的30％；

条件二，修正后筒体1在水平及竖直方向的真实应变值以及径向位移值随安全壳内压力变化呈现线弹性特征。

为进一步完善不同点位的变形参量以增加安全壳评价指标，可同时在安全壳穹顶2上沿其经线方向布设相互交叉的多条顶部传感光纤3，优选在安全壳穹顶2上均匀间隔铺设三根。所有的顶部传感光纤3均一一相应的设有与其相配合的一根温度补偿光纤4，监测得到的顶部传感光纤3的应变值通过温度补偿光纤4进行修正。将顶部传感光纤3修正后的应变值作为安全壳性能评价的其中一个指标，则上述步骤4中需同时满足顶部传感光纤3经修正后的应变值不大于理论计算值的30％且顶部传感光纤3修正后的应变值随安全壳内压力变化呈现线弹性特性。

铺设于穹顶的顶部传感光纤3的理论应变值其计算方法包括：假定在内压作用下各构件应变相同，根据受力平衡方程有

混凝土和钢衬里处于平面应力状态，根据第二强度理论：

安全壳在内压下有：

解(11)(12)(13)得：

其中：

ε_Dx—穹顶沿圆弧面切线方向的应变；

σ_Dx—穹顶沿圆弧面切线方向的应力；

σ_Dy—穹顶沿竖直方向的应力；

ε_D(t)—混凝土强度试验下应变的改变量：

—内压下穹顶混凝土截面单位长度集中力。

参见附图3所示为本发明某一具体实施例得到的基于白光干涉传感技术的安全壳变形测量图，由图可知，基于白光干涉传感技术测得的整体变形与试验压力变化基本保持一致，并体现良好的线弹性特征；且压力峰值时应变并未超过设计允许的最大值。

本发明基于白光干涉传感技术的安全壳性能评价方法在安全壳混凝土结构预埋振弦传感器失效的情况下仍可以进行整体性能评价，且具有多区域铺设、长距离、高精度、数据量大、直观，可消除局部位置的偶然误差等创新点和优点，可满足现有预埋应变监测传感器补充和失效前升级改造需要，为核电厂的长寿期运行提供保证。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于白光干涉传感技术的安全壳性能评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在安全壳上铺设传感光纤，具体为：

在筒体的顶部、中部和筏基部位的表面沿环向分别铺设水平传感光纤；

所述筒体自其顶部到中部间隔铺设多条竖向传感光纤；

在所述水平传感光纤和所述竖向传感光纤的铺设位置分别铺设温度补偿光纤，每一根传感光纤均一一相应的设有与其相配合的一根温度补偿光纤；

2)获取筒体的真实应变值及径向位移值

2.1)在白光干涉的光学回路中，设置步进电机为扫描镜，当光程条件满足时发生干涉，确定步进电机的干涉位置为X₀；在传感光纤一侧当其长度改变后，步进电机的位置变为X₁，则：

Δl＝|X₁-X₀|·L_N (1)

上述式(1)至式(2)中：

ε—传感光纤的应变；

L_N—步进电机的步长；

Δl—传感光纤绝对应变的和；

l₀—传感光纤的长度；

2.2)采用温度补偿光纤对上述传感光纤的实测应变值进行修正，即获得修正后筒体沿水平方向的真实应变值ε_0x和筒体沿竖直方向的真实应变值ε_0y；

2.3)通过式(3)获得筒体的真实径向位移ΔR₁：

ΔR₁＝R×ε_0x (3)

其中，R为筒体直径；

3)获得筒体的理论应变值及径向位移值

3.1)根据受力平衡方程，在水平切线方向有：

PR＝Δσ_c(t)A_c+Δσ_L(t)A_L+Δσ_s(t)A_s+Δσ_p(t)A_P (4)

Δσ_c(t)—混凝土单位面积应力增量；

Δσ_L(t)—钢衬里单位面积应力增量；

Δσ_s(t)—钢筋单位面积应力增量；

Δσ_p(t)—预应力钢束单位面积应力增量；

混凝土和钢衬里处于平面应力状态，根据第二强度理论：

ε_x—筒体水平切线方向应变；

E—弹性模量；

σ_x—筒体水平切线方向应力；

ν—泊松比；

σ_y—筒体竖直方向应力；

安全壳在内压下有：

由式(4)、式(5)和式(6)得水平切线方向应变为：

ν_c—混凝土泊松比；

ν_L—钢衬里碳钢泊松比；

根据受力平衡方程，在筒体竖直方向有：

Δσ_d(t)—预应力钢束套管单位面积应力增量；

混凝土和钢衬里处于平面应力状态，根据第二强度理论：

ε_y—筒体竖直方向应变；

安全壳在内压下有：

由式(7)、式(8)和式(9)得筒体竖直方向应变为：

上述式(4)至式(9)中：

PR—内压下混凝土水平切线方向单位长度集中力；

—内压下混凝土竖直方向单位长度集中力；

E_c、E_S、E_L、E_P、E_d—混凝土、钢筋、钢衬里、钢束、钢束套管对应的弹性模量；

A_c、A_S、A_L、A_P、A_d—混凝土、钢筋、钢衬里、钢束、钢束套管单位长度对应的截面面积；

3.2)通过式(10)获得筒体的理论径向位移ΔR₂：

ΔR₂＝R×ε_x(t) (10)

4)安全壳性能评价

当同时满足以下两个条件时，安全壳满足整体强度要求：

条件一，修正后筒体在水平及竖直方向的真实应变值以及径向位移值不超过相应的理论计算值的30％；

条件二，修正后筒体在水平及竖直方向的真实应变值以及径向位移值随安全壳内压力变化呈现线弹性特征。

2.根据权利要求1所述的一种基于白光干涉传感技术的安全壳性能评价方法，其特征在于：步骤1中，水平光纤分别设于筒体标高为+42.00m、+26.00m和-6.7m的位置。

3.根据权利要求1所述的一种基于白光干涉传感技术的安全壳性能评价方法，其特征在于：步骤1中，在筒体上铺设竖直光纤时，每两个扶壁柱之间铺设1-4根竖直传感光纤。

4.根据权利要求1所述的一种基于白光干涉传感技术的安全壳性能评价方法，其特征在于，步骤2.2中的修正方法为：将传感光纤测得的初始应变值减去同位置与其配合铺设的温度补偿光纤测得的应变值，即得修正后的真实应变值。

5.根据权利要求1所述的一种基于白光干涉传感技术的安全壳性能评价方法，其特征在于：步骤1中，在安全壳穹顶上沿其经线方向布设相互交叉的多条顶部传感光纤，所有的所述顶部传感光纤均一一相应的设有与其相配合的一根温度补偿光纤，监测所述顶部传感光纤的应变值并通过温度补偿光纤进行修正。

6.根据权利要求5所述的一种基于白光干涉传感技术的安全壳性能评价方法，其特征在于：所述安全壳穹顶上均匀间隔铺设三根相互交叉的所述顶部传感光纤。

7.根据权利要求6所述的一种基于白光干涉传感技术的安全壳性能评价方法，其特征在于：步骤4中需满足顶部传感光纤经修正后的应变值不大于理论计算值的30％且顶部传感光纤修正后的应变值随安全壳内压力变化呈现线弹性特性。

8.根据权利要求7所述的一种基于白光干涉传感技术的安全壳性能评价方法，其特征在于：铺设于穹顶的顶部传感光纤的理论应变值其计算方法包括：假定在内压作用下各构件应变相同，根据受力平衡方程有

混凝土和钢衬里处于平面应力状态，根据第二强度理论：

安全壳在内压下有：

解(11)(12)(13)得：

其中：

ε_Dx—穹顶沿圆弧面切线方向的应变；

σ_Dx—穹顶沿圆弧面切线方向的应力；

σ_Dy—穹顶沿竖直方向的应力；

ε_D(t)—混凝土强度试验下应变的改变量：

—内压下穹顶混凝土截面单位长度集中力。

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