CN102146713A

CN102146713A - 内嵌钢绞线frp光纤智能复合筋

Info

Publication number: CN102146713A
Application number: CN201010623698.4A
Authority: CN
Inventors: 何建平; 周智; 兰春光; 黄明华; 欧进萍
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2011-08-10

Abstract

内嵌钢绞线FRP光纤智能复合筋，属于安全监测和结构材料技术领域。其特征是钢绞线和光纤或光纤光栅沿纤维树脂长度方向平行置入FRP筋中，通过拉挤成型工艺有机构成一体。其中钢绞线置入FRP筋中间，光纤或光纤光栅置入FRP包层外侧；光纤或光纤光栅置入FRP筋的中间，钢绞线置入FRP包层外侧。本发明的效果和益处是该光纤智能复合筋具有模量高、耐久性好且自感知优点，可作为土木工程的新型材料和结构长期的监测的传感元件广泛应用于桥梁拉索、吊杆等工程中。

Description

内嵌钢绞线FRP光纤智能复合筋

技术领域

本发明属于安全监测和结构材料技术领域，涉及一种工程化高模量、高耐久性结构材料和结构智能监测传感元件于一体的内嵌钢绞线FRP光纤智能复合筋。

背景技术

耐腐蚀结构材料和结构安全监测是土木工程的核心重要发展方向。目前，具有耐久性好、轻质高强、无磁性、耐疲劳以及全过程伪弹性等特点的纤维增强树脂结构材料(FRP)已经在全世界范围内得到了广泛的研究和部分成功的应用。它加工成多种形式，FRP筋代替变形钢筋或桥梁拉索钢丝、FRP板与混凝土结合成组合板、管式构件等。然而，FRP材料的模量、强度较低、破坏模式无屈服台阶和破坏征兆，严重地制约了该材料的工程应用范围。欧进萍、张志春、周智等人将钢绞线内嵌FRP中研制开发纤维增强塑料-钢绞线复合筋(ZL200610009936.6)，提高了材料的模量和强度，但是其自身不能感知自身的受力状态或相应结构的受力状态。结构安全监测依赖可靠的测试手段，传统的电测手段的耐久性和分布式不满足工程需要。光纤传感器(如准分布式光纤光栅和分布式布里渊、拉曼等)因具有敏感元件体积小、对结构应力场影响小、抗电磁干扰、耐久性好、绝对测量以及便于实现分布式与实时在线测试以及集传感和数据传输于一体等独特优势，已成为重大工程结构最为理想的安全监测传感元件。光纤与FRP材料具有天然的相容性，如果将光纤传感元件与FRP复合有望形成优良的智能结构材料材料。欧进萍、周智等人基于FRP封装技术研制开发了系列光纤光栅FRP复合智能筋(CN1208653C)和光纤智能结构，如光纤光栅智能锚头、光纤光栅智能钢绞线、光纤光栅智能拉索等，并在许多工程中得到了很好的应用。但是，作为结构材料的智能FRP依然具有模量低、强度低的致命弱点。如果在上述基础上，将内嵌钢绞线的FRP再与光纤传感器融合，有望将其优点集成，回避弱点，满足工程应用。本发明专利拟将钢绞线、光纤或光纤光栅置于FRP中，研制工程化高模量、高强度、自感知的新型智能结构材料。

发明内容

本发明的目的提供了一种工程化高模量、高耐久性结构材料和结构智能监测传感元件于一体的内嵌钢绞线FRP光纤智能复合筋，使之即可以替代钢绞线作为受力构件又可以作为内力测试的传感智能筋使用。

本发明的技术方案是将光纤或光纤光栅、浸泡环氧树脂的纤维增强塑料以及细钢绞线一起送入拉拔模具，通过拉挤成型工艺制作成内嵌钢绞线FRP光纤智能复合筋。纤维增强树脂FRP材料包裹钢绞线和光纤或光纤光栅，其中钢绞线提高该复合筋的延性和抗拉强度；光纤或光纤光栅可以测试结构的温度和应变；FRP包裹钢绞线隔离腐蚀介质。技术方案包括如下特征：

①内嵌钢绞线FRP光纤智能复合筋中布设不同的光纤传感元件，应用不同光纤传感技术，如光纤光栅测试技术或光纤布里渊测试技术，测试温度和应变，或采用局部光纤光栅和全分布式布里渊共线技术实现温度和应变多参量测试。

②内嵌钢绞线FRP光纤智能复合筋作为结构的主要受力构件。钢绞线与FRP共同承担荷载，制作成各种形式，如光面、表面带肋形式等替代钢筋；制作成吊杆或与钢绞线拉索复合制作智能钢绞线或智能钢拉索。

③内嵌钢绞线FRP光纤智能复合筋中光纤或光纤光栅置于智能筋的中间，钢绞线周向布设在智能筋内部外侧位置；或钢绞线置于FRP筋的中间，同时在FRP筋包层，即钢绞线外围平行布设一根或两根光纤敏感元件；FRP筋与钢绞线通过热处理工艺形成整体，协同变形能力好。FRP拉断剥离前，FRP与钢绞线共同承担荷载；FRP拉断剥离后，钢绞线独自承担荷载；同时在整个服役期间，通过光纤感知构件的温度和应力；

④在FRP筋中，光纤首末端穿套一定长度的松套管，且至少长于钢绞线50cm，便于光纤跳线制作，光纤长度要长于钢绞线。钢绞线置入FRP筋包层外侧位置，在松套管位置环形切断各个钢绞线，剥出光纤制作跳线；钢绞线置于FRP筋中间位置，先切除钢绞线与松套管之间的纤维，然后截断中间钢绞线剥出光纤制作跳线。

本发明的效果和益处是内嵌钢绞线FRP光纤智能复合筋把纤维增强塑料的优良力学特性、防腐耐久、抗电磁场干扰、钢绞线塑性以及光纤传感技术有机结合起来，即可以作为土木工程的新型材料由可作为结构长期的监测的传感元件，克服了FRP材料作为受力构件使用无塑性变形的征兆以及结构内力测试困难的问题，可广泛用于桥梁拉索、吊杆等工程中。

附图说明

图1是置入一根光纤的内嵌钢绞线FRP光纤智能复合筋的结构示意图。

图中：(a)钢绞线置入FRP中间，光纤置入FRP筋外侧；(b)钢绞线置入FRP筋外侧位置，一根光纤置入FRP筋中间位置。

图2是置入一根光纤光栅的内嵌钢绞线FRP光纤智能复合筋的结构示意图。

图中：(a)钢绞线置入FRP中间，光纤光栅置入FRP筋外侧；(b)钢绞线置入FRP筋外侧位置，一根光纤光栅置入FRP筋中间位置。

图3是置入一根光纤和一根光纤光栅的内嵌钢绞线FRP光纤智能复合筋的结构示意图。

图中：(a)钢绞线置入FRP中间，光纤和光纤光栅置入FRP筋外侧；(b)钢绞线置入FRP筋外侧位置，光纤和光纤光纤光栅置入FRP筋中间位置。

图1～图3中：1光纤；2钢绞线；3纤维增强树脂FRP；4松套管5光纤光栅。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

图1～图3是系列内嵌钢绞线FRP光纤智能复合筋结构示意图，以下简称智能筋。该智能筋通过热拉挤成型工艺制作，包括1光纤和5光纤光栅、3纤维增强树脂FRP、2钢绞线以及4松套管。图1中，智能筋中置入一根1光纤，2钢绞线置入智能筋的中间位置或外侧位置；图2中，智能筋中置入5光纤光栅，2钢绞线置入智能筋的中间位置或外侧位置；图3中，智能筋中置入一根1光纤和一根5光纤光栅，2钢绞线置入智能筋的中间或外侧位置。考虑到智能筋成型过程中2钢绞线压断1光纤或5光纤光栅，1光纤或5光纤光栅与钢绞线两者间距大于1.5mm，2钢绞线或光纤敏感元件距3纤维增强树脂FRP外层大于1mm，即3纤维增强树脂FRP保护层大于1mm。具体实施的时候，根据2钢绞线与3纤维增强树脂FRP的截面积比，确定2钢绞线的根数以及2钢绞线在智能复合筋中的位置，将2钢绞线、3纤维增强树脂FRP以及1光纤或5光纤光栅穿过定位分丝板，通过拉挤热成型内嵌钢绞线FRP光纤复合智能筋。2钢绞线置入FRP筋包层外侧位置，在4松套管位置环形切断各个钢绞线，剥出1光纤制作跳线；2钢绞线置于FRP筋中间位置，先切除2钢绞线与4松套管之间的纤维，然后截断中间钢绞线，然后剥出1光纤制作跳线。

Claims

1.一种内嵌钢绞线FRP光纤智能复合筋，包括钢绞线(2)、光纤(1)或光纤光栅(5)、纤维增强树脂FRP(3)以及松套管(4)，其特征是：纤维长度方向钢绞线(2)置入FRP筋中间，一根光纤(1)或一根光纤光栅(5)置入FRP包层外侧；一根光纤(1)或一根光纤光栅(5)置入FRP筋的中间，钢绞线(2)置入FRP包层外侧；一根光纤(1)和一根光纤光栅(5)同时置入FRP筋中；钢绞线(2)与光纤(1)或光纤光栅(5)平行。

2.根据权利要求1所述的一种内嵌钢绞线FRP光纤智能复合筋，光纤(1)或光纤光栅(5)两端部穿松套管(4)。

3.根据权利要求1和2所述的一种内嵌钢绞线FRP光纤智能复合筋，钢绞线(2)置入FRP筋包层外侧位置，在松套管(4)位置环形切断各根钢绞线(2)，剥出光纤；钢绞线(2)置于FRP筋中间位置，先切除钢绞线(2)与松套管(4)之间的纤维，然后截断中间钢绞线(2)剥出光纤(1)。

4.根据权利要求1、2和3所述的一种内嵌钢绞线FRP光纤智能复合筋，其特征是：内嵌钢绞线FRP智能筋制作成光面或表面带肋的形式，与吊杆、锚杆、钢绞线以及拉索复合制作相应的智能吊杆、智能锚杆、智能钢绞线和智能刚拉索。