CN101093187A - 光纤光栅frp智能锚头及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了是一种光纤光栅FRP智能锚头及其制作工艺。它包括复合有光纤光栅的FRP筋3，锚头1，粘结介质4和定位环2，FRP筋3穿过锚头1并在锚头1内部分通过定位环2固定，锚头1内填充有粘结介质4，FRP筋3包括传输信号的光纤5以及感知应变的光栅6。其制作过程包括熔接光纤光栅并与FRP筋复合、确定并固定FRP筋的锚固位置、浇灌粘结介质等工艺过程。该智能锚头具有灵敏度高、稳定性好等优点，还具有抗老化、耐腐蚀、结构形式简单等突出优点，同时可以用该锚头研究FRP材料粘结锚固性能和FRP锚具的设计方法，监测预应力工程的预应力损失，特别适用于FRP锚具锚固失效的健康监测。

Description

光纤光栅FRP智能锚头及其制作工艺

(一)技术领域

本发明涉及的是一种用于FRP锚固系统健康监测的智能锚头，具体的说，是一种利用光纤布拉格光栅(以下称光纤光栅)作为感知元件监测FRP锚固系统受力特性的智能锚头。

(二)背景技术

FRP材料自20世纪40年代问世以来，在航空、航天、船舶、汽车、化工、医学和机械等领域得到广泛的应用。近年来，FRP以其轻质、高强、耐腐蚀等优点，开始在土木工程结构中得以应用，并受到工程界的广泛关注。国外重大工程中应用FRP相对较早，1992年，英国的Aberfeldy高尔夫球场，建成全FRP斜拉人行天桥；1996年，美国Kansas州建成FRP桥面板公路桥；2000年日本三岛市民游泳馆首先采用FRP网架结构。此外，已有一些高校以及科研单位致力于FRP性能和工程应用的研究。国内这方面的研究还刚开始，已经初步研制出FRP筋、板、布等型材产品。但这些产品因为缺少锚固系统的研究，使得FRP材料的优点没有得到充分发挥。这也是制约其在土木工程结构中广泛应用的最大因素。在各类型材中，又以FRP筋应用最广，因此研究FRP筋的锚固技术，开发新型的锚头是一个极其重要且迫需解决的课题。

FRP材料的抗剪切性能差，通常只有抗拉强度的1/10，传统的锚具不适用。目前，FRP筋的锚固通常有粘结锚固和夹片锚固等两种方法，从其力学特性看，粘结锚固具有明显的优点。然而，如何有效地研究粘结式FRP锚头内部的内力特性及其长期工作状态下的安全监测，已经成为国内外工程界关注的焦点。传统的监测手段，如电阻应变计，难以布设且其长期监测效果无法保证、受干扰影响大、灵敏度低稳定性差、可操作性差。

光纤光栅测试技术是基于波长信息的绝对测量技术。光纤光栅具有波长选择性、与光纤系统兼容性、插入损耗低、结构简单、体积小、成本低廉等特性，其突出的优点是：能避免电磁场的干扰，电绝缘性好；不受潮湿环境影响；耐久性好，能够抵抗包括高温(小于600℃)在内的各种恶劣环境及化学腐蚀的能力，能够承受振动和冲击的能力；质量轻、体积小、对结构影响小、易于布置；既可以实现点测量，又可以实现分布式测量；绝对测量；节省线路，只用一根光缆就可以传输结构状态信号；信号、数据可多路传输，便于与计算机连接，单位长度上信号衰减小；灵敏度高，精度高；频带宽，信噪比高等。目前光纤光栅传感器已经广泛用于土木工程、航空航天、石油化工、医学、环境工程等领域。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种传感精度高、抗电磁干扰、绝对测量、稳定性和耐久性好，具有智能感知特性的光纤光栅FRP智能锚头及其制作工艺。

本发明的产品结构是这样的：它包括复合有光纤光栅的FRP筋3，锚头1，粘结介质4和定位环2，FRP筋3穿过锚头1并在锚头1内部分通过定位环2固定，锚头1内填充有粘结介质4，FRP筋3包括传输信号的光纤5以及感知应变的光栅6。

本发明的产品还包括这样一些技术特征：

1、所述的粘结介质4为环氧铁砂；

2、所述的光栅6是具有一定长度间隔的光栅串，锚头内光栅的分布间距随离锚头前端的距离增加而增大。

本发明产品的制备方法为：

1、在FRP筋制作过程中置入光纤光栅复合成型；

2、在锚头外，靠近前端的位置，复合埋设1个光栅；

3、将复合有光纤光栅的FRP筋用定位环贯穿固定于锚头中；

4、在锚头的两个端口，各设置1个定位环；

5、将粘结介质浇灌入锚头，待粘结介质固化后，将锚头末端的FRP筋剥出光纤，熔接传输信号的光缆；

6、锚头的外表面开螺纹，用螺栓套把智能锚头固定于设备或工程中。

本发明产品的制备方法还包括这样一些技术特征：

1、所述的复合成型的过程为：计算FRP筋的下料长度，确定光纤光栅传感器在锚固长度方向上的位置，以及各光栅的间距和波长分布，熔接光纤光栅，然后将合适长度的光纤光栅与纤维一起牵拉，采用热挤法制成复合光纤光栅的FRP筋；

2、所述的将FRP筋固定于锚头中的过程为：根据FRP筋直径的不同，确定锚头和定位环的形状和尺寸，定位环的内径与FRP筋直径相等，外径与锚头的内径相等，FRP筋轴线与锚头的轴线重合，与锚头通过螺纹连接；

3、所述的将粘结介质浇灌入锚头的过程为：首先配制粘结介质环氧铁砂，并加热到50℃，搅拌均匀后，在15分钟内将环氧铁砂浇灌入锚头，锚头竖向放置，旋转拧紧定位环；

4、所述的粘结介质固化时间为20-30小时。

光纤光栅传感器有尺寸小、准分布式测量、绝对测量等优点，已经越来越被土木工程所接受，并且成为重大工程结构健康检测的有效技术。为了充分利用FRP材料与光纤光栅的优点，把光纤光栅与FRP复合，制作出FRP-OFBG智能筋，能够精确的监测出FRP的应变，且不影响材料性能。因此，把FRP筋与光纤光栅复合，做成FRP-OFBG智能筋，结合粘结介质、锚头等研制成的智能锚头，光纤光栅作为感知元件，监测FRP筋的轴向应变的分布规律及其随荷载变化的关系，进而得到FRP筋与粘结介质接触面的剪应力的分布规律及其随荷载变化的关系，根据粘结锚固理论，评价锚头的损伤程度和安全使用性能，实现对锚头长期工作状态的实时监测，确保使用期内的安全运行。根据光纤光栅监测FRP筋轴向应变变化，可以得到FRP筋的应力变化，进而监测预应力工程中的预应力损失。

FRP筋具有强度高、质量轻、耐蠕变、耐疲劳、耐腐蚀等优异性能，在土木工程领域逐渐成为代替钢筋的新兴材料，而且容易加工成型，能很方便的复合光纤光栅传感器。

本发明结合FRP筋的力学性能、光纤光栅的感知特性、粘结式锚头的受力特征和环氧铁砂材料优点，研制开发光纤光栅FRP智能锚头。将光纤光栅封装在FRP筋内，由于其直径为125μm左右，涂覆层和保护层均为聚合物，与FRP材料有天然的相容性不会改变FRP筋的材性，并能克服光纤光栅脆弱、布设困难的缺点，提高了光纤光栅布设的成活率和耐久性。通过封装在FRP筋内的光纤光栅，感知FRP筋的轴向应变，进而得到锚固范围内的应变信息。该智能锚头传感精度高(可达到1~2με)、抗电磁干扰、绝对测量、稳定性和耐久性好等，可以准确的监测锚头在制作、施工和服役期间的受力情况和损伤程度。在预应力工程中可以指导预应力FRP筋的张拉与施工，并为锚头服役期间的预应力损失、锚固失效等健康监测与损伤识别提供直接的信息。根据光纤光栅测得的轴向应变，可以得到锚固区域内FRP筋的轴向应力分布规律及其随荷载变化的关系，和FRP筋与环氧铁砂表面的粘结剪应力的分布规律及其随荷载变化的关系，推动目前仍不成熟的FRP材料锚固理论的发展，并为FRP材料锚具的设计及其优化提供依据。将光纤光栅与FRP筋有效复合制作的智能锚头，同时又是对光纤光栅的优良封装保护，克服了裸光纤光栅传感器布设与保护的困难，并能充分发挥光纤光栅的优良的感知性能，这是普通电测技术(如电阻应变计)不可能做到的。

(四)附图说明

图1-图2是本发明的含光纤光栅的FRP筋示意图；

图3是本发明产品的结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的描述：

结合图1-图2，在复合光纤光栅的FRP筋中，光纤光栅1的位置应在FRP筋2的中心轴线上。

结合图3，本实施例光纤光栅FRP智能锚头的组成包括：复合有光纤光栅的FRP筋3，锚头1，环氧铁砂作为粘结介质4，定位环2，传输信号的光纤5以及感知应变的光栅6，FRP筋3穿过锚头1并在锚头1内部分通过定位环2固定，锚头1内填充有粘结介质4。

本实施例的产品可以采用下述方法来制作：

1)、计算FRP筋的下料长度，确定光纤光栅传感器在锚固长度方向上的位置，以及各光栅的间距和波长分布，熔接光纤光栅，然后将合适长度的光纤光栅与纤维一起牵拉，采用热挤法制成复合光纤光栅的FRP筋。

2)、根据FRP筋直径的不同，确定锚头和定位环的形状和尺寸，定位环的内径与FRP筋直径相等，外径与锚头的内径相等，与锚头通过螺纹连接。将复合有光纤光栅的FRP筋用定位环准确的贯穿固定于锚头中。

3)、配制环氧铁砂，并加热到50℃，搅拌均匀后，在15分钟内将环氧铁砂浇灌入锚头。锚头竖向放置，为准确定位和防止漏浆，需旋转拧紧定位环。

4)、环氧铁砂固化24小时(粘结强度强度已经达到90％)后，剥出光纤，熔接传输信号的光缆。

其中，光纤光栅与FRP筋复合，光纤光栅上的光栅是具有一定长度间隔的光栅串，光栅的位置在锚固区域的控制点上，锚头外有一根光栅，锚头内光栅的分布随距离锚头前端的增加而稀疏。同时，确定FRP筋在锚头中的位置时，长度方向通过光栅的位置确定。

对锚头健康监测时，根据测得的锚具内光纤光栅波长的变化，计算出FRP筋的轴向应变，以及FRP筋与环氧铁砂表面的剪应力分布。根据锚头外光纤光栅测得的FRP筋轴向力与锚头内FRP筋轴向力和剪应力的变化，由锚固理论评价锚头安全使用性能，实现对锚头长期工作状态的实时监测，确保使用期内锚头的安全运行，满足锚头安全监测的高精度和长期性的技术要求。对锚具优化设计时，根据计算出的FRP筋轴向应力和剪应力分布规律以及其随荷载变化的曲线，得到最合理的锚具形式。对预应力监测时，根据锚头外FRP筋的轴向力以及锚头内FRP筋轴向力的变化，计算预应力的损失。

Claims (8)

1、一种光纤光栅FRP智能锚头，它包括锚头(1)，其特征是：它还包括复合有光纤光栅的FRP筋(3)，粘结介质(4)和定位环(2)，FRP筋(3)穿过锚头(1)并在锚头(1)内通过定位环(2)固定，锚头(1)内填充有粘结介质(4)，FRP筋(3)包括传输信号的光纤(5)以及感知应变的光栅(6)。

2、根据权利要求1所述的光纤光栅FRP智能锚头，其特征是：所述的粘结介质(4)为环氧铁砂。

3、根据权利要求1所述的光纤光栅FRP智能锚头，其特征是：所述的光栅(6)是具有一定长度间隔的光栅串，锚头内光栅的分布间距随离锚头前端的距离增加而增大。

4、一种光纤光栅FRP智能锚头的制作工艺，其特征是：

1)、在FRP筋制作过程中置入光纤光栅复合成型；

2)、在锚头外，靠近前端的位置，复合埋设1个光栅；

3)、将复合有光纤光栅的FRP筋用定位环贯穿固定于锚头中；

4)、在锚头的两个端口，各设置1个定位环；

5)、将粘结介质浇灌入锚头，待粘结介质固化后，将锚头末端的FRP筋剥出光纤，熔接传输信号的光缆；

6)、锚头的外表面开螺纹，用螺栓套把智能锚头固定于设备或工程中。

5、根据权利4所述的光纤光栅FRP智能锚头的制作工艺，其特征是：所述的复合成型的过程为：计算FRP筋的下料长度，确定光纤光栅传感器在锚固长度方向上的位置，以及各光栅的间距和波长分布，熔接光纤光栅，然后将合适长度的光纤光栅与纤维一起牵拉，采用热挤法制成复合光纤光栅的FRP筋。

6、根据权利5所述的光纤光栅FRP智能锚头的制作工艺，其特征是：所述的将FRP筋固定于锚头中的过程为：根据FRP筋直径的不同，确定锚头和定位环的形状和尺寸，定位环的内径与FRP筋直径相等，外径与锚头的内径相等，FRP筋轴线与锚头的轴线重合，与锚头通过螺纹连接。

7、根据权利6所述的光纤光栅FRP智能锚头的制作工艺，其特征是：所述的将粘结介质浇灌入锚头的过程为：首先配制粘结介质环氧铁砂，并加热到50℃，搅拌均匀后，在15分钟内将环氧铁砂浇灌入锚头，锚头竖向放置，旋转拧紧定位环。

8、根据权利7所述的光纤光栅FRP智能锚头的制作工艺，其特征是：所述的粘结介质固化时间为20-30小时。