CN102900200B - 一种智能frp-混凝土复合结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型智能FRP-混凝土复合结构及其制造方法，该智能复合结构包括智能FRP层、钢筋混凝土芯及锚固装置三个部分。其中，智能FRP层由碳纤维或碳纤维与其他纤维混杂后经树脂浸渍而成，在复合结构中既作为结构材料，同时也起传感作用。智能FRP层包裹在钢筋混凝土芯的受拉侧，为更好发挥FRP高强度特性对智能FRP层施加一定的预应力，智能FRP层与钢筋混凝土芯通过树脂粘结和锚具机械连接。该智能FRP-混凝土复合结构不仅具备高承载能力、自传感功能、优良的耐腐蚀能力和高耐久性，而且其性能和结构可设计性强。

Description

一种智能FRP-混凝土复合结构及其制造方法

技术领域

本发明是一种基于碳纤维分布式传感的智能纤维增强树脂复合材料（FRP）/混凝土复合结构及其在土木工程中的应用，属于智能材料与结构、土木工程技术领域。

背景技术

纤维增强树脂复合材料（FRP）具有良好的力学性能，其抗拉强度为普通碳钢的5倍以上，而密度只有钢材的1/3至1/5，且具有良好的耐腐蚀/耐久性，自开发以来有关其各项性能的研究和应用一直倍受关注。碳纤维增强复合材料（CFRP）是FRP复合材料中非常重要的一类，具有超过一般纤维材料的优越力学性能和物化性能，密度只有普通低碳钢的四分之一，但拉伸强度却有普通低碳钢的10倍左右，具有比普通金属材料更高的抗疲劳性能，热膨胀系数几乎为零，抗腐蚀性能优良。高强度碳纤维的弹性模量(230GPa)与普通低碳钢的基本相当，但是高弹性模量碳纤维的弹性模量可达到普通钢铁的3倍以上。

此外，碳纤维还具有良好的导电性和压阻效应。利用其电学性能可以制作智能传感器，国内外对其进行了较多研究。如，对比文件1（Distributed sensing of RC beams with HCFRPsensors,Proceedings of the SPIE,Vol.5765,2005.5.3 1,P376-385）报道了用碳纤维传感器监测混凝土梁的应变和混凝土开裂，由于混杂了高弹性模量的碳纤维，在约4,000με后高模量碳纤维开始出现断裂，监测的精度和准确度下降明显，此后的监测主要以定性监测为主。对比文件2（Self-monitoring,pseudo-ductile,hybrid FRP reinforcement rods for concrete applications,Composites Science and Technology，61:815-23,2001）报道了一种可用于钢筋混凝土结构的混杂FRP筋（含有碳纤维），混杂FRP不仅具有较好的自传感功能，而且具有良好的“类延性；对比文件2对碳纤维未施加预应力，在小应变阶段电阻变化率稳定性差（甚至出现电阻变化率随应变增大而减小的现象）、电阻变化率小，且只含一对测量电极，因而不能进行定量化测量和损伤定位。

日本和美国在上世纪80年代末90年代初首先开展了纤维复合材料加固混凝土结构（桥梁、房屋、隧道、烟囱等）的增强加固技术研究，1995年前后该项加固技术被引入到我国，现已得到了比较完善的发展，在结构加固领域得到了广泛的推广和应用。对比文件3（ZL201020261312.5）报道了一种预应力FRP筋加固的混凝土结构件，预应力FRP筋布置在混凝土结构件本体上，在预应力筋周围设置环氧树脂覆盖层，在环氧树脂覆盖层外设置聚合物混凝土增厚层，可防止FRP筋材过早发生剥离破坏，并保证FRP筋材能够均匀有效的传递荷载；对比文件4（ZL200910232633.4）报道了一种预应力纤维布外粘结加固技术的锚固方法，采用分层锚固的方法降低锚固端部的预应力，解除锚固端部不必要的负担。

除了用作结构加固修复外，由于FRP复合材料具有良好的抗腐蚀性能，因而国内外（特别是北欧、美国等冬季需要使用大量融雪盐的国家和地区）正在积极开展用FRP复合材料代替传统钢材（如制作成FRP筋埋入混凝土）制作混凝土结构的研究，以避免混凝土中钢材腐蚀所带来的危害。同时，国内外研究者也开展了各种FRP-混凝土新型复合结构的研究，以提高结构的力学、防腐、耐久性等综合性能。在FRP-混凝土复合结构中，高性能FRP与混凝土紧密结合一体，共同承担荷载。它综合了FRP比强度高、比模量大、耐腐蚀、耐疲劳和可设计强的优点和混凝土抗压强度高、成本低等优势，是一种结构合理、施工便利、造价经济的新型结构形式。对比文献5（ZL200610037891.3）报道了混杂纤维增强树脂复合材料混凝土复合结构及其制造方法，用混杂FRP层将混凝土芯包裹起来，分为主筋用FRP包覆层和箍筋用FRP包覆层，并通过湿粘结的方法与混凝土芯粘结。通过FRP层，提高了复合结构的承载能力，提高了结构抗腐蚀能力和耐久性。然而，对比文献5所采用的高弹模的纤维价格偏高，而且FRP层将作为模板，无法施加预应力和充分发挥FRP复合材料的高强度等优异特性，造成材料性能的一定浪费；该复合结构只采用湿法界面粘结，在二者长期工作中存在一定的剥离隐患。

FRP复合材料（包括CFRP）具有广阔的潜在应用前景，但在实际应用中普遍存在以下方面问题：

1、力学性能方面：（1）FRP与混凝土的界面间粘结效果难以得到保证，受力较大时，易出现滑移；（2）当FRP用于土木工程结构时，施加预应力难，若无预应力则很难发挥其高抗拉强度的力学性能优势，材料利用率低。

2、CFRP自传感性能方面：（1）主要集中在单种碳纤维增强复合材料的自传感研究和应用，由于碳纤维断裂前电阻变化率比较小（通常小于1%），且低应变区域电阻传感的稳定性差；（2）目前的大量研究还停留在定性研究上，测量的精度低，稳定性差，考虑的因素少，没有精确定量地确立电阻变化率与结构应变的本构关系；（3）不能进行分布式（即多点连续）测量。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种智能FRP-混凝土复合结构以及制造方法，以期达到提高FRP复合材料的利用率、FRP与混凝土结构的粘结效果，并使之具有高度的耐久可持续性和智能性；解决预应力混凝土结构预应力粘结损失以及预应力损失监测困难等问题。该智能结构可用于桥梁结构以及高层、大跨、大型复杂建筑中。

技术方案：

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种智能FRP-混凝土复合结构，包括钢筋混凝土芯以及设置在混凝土芯表面的智能FRP层，其特征在于：所述的智能FRP层由碳纤维层与位于碳纤维上下表面的非导电纤维层经树脂浸润固化而成，在碳纤维上安装测量电极，测量电极与碳纤维通过导电胶紧密结合；在所述的混凝土芯表面设置有锚固装置，该锚固装置包括底板、顶板、螺栓以及螺母，所述的螺栓一端设置在所述的混凝土芯内部，所述的底板和顶板套在所述的螺栓上，所述的智能FRP层设置在所述的底板和顶板之间并通过螺母紧固。

所述的非导电纤维层纤维为玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、PBO纤维、Dyneema纤维或其他高强度纤维。

所用树脂为环氧树脂或不饱和树脂。

一种智能FRP-混凝土复合结构的制造方法，其特征是：包括以下步骤：

第一步、测量电极安装：对碳纤维布进行预张拉，使碳纤维布处于伸直状态，然后去除安装测量电极部分碳纤维布表面的浸润剂，抛光金属测量电极并涂导电胶，将测量电极固定在碳纤维布上，使测量电极与碳纤维充分接触粘结，用导线连接测量电极；

第二步、智能FRP层的制备：将安装了测量电极的碳纤维布与非导电纤维布进行混杂铺设，非导电纤维布位于碳纤维布的上下两侧，并用树脂进行含浸和半固化，形成半固化智能FRP层；

第三步、结构复合：对钢筋混凝土芯底面进行打磨后涂一层渗透性良好的结构性树脂并养护至半干状态，然后在半固化智能FRP层的粘结面涂一层环氧树脂后通过两端所粘结的钢板施加预应力，最后将半固化智能FRP层与钢筋混凝土芯进行复合和进行养护；

第四步、机械锚固：将智能FRP层的两端用机械锚固的方法锚固在钢筋混凝土芯的底面，切除用于张拉的粘结钢板处的多余纤维布。

测量电极用银胶或铜胶粘结安装，或用化学镀、电镀或蒸镀的方法安装在碳纤维布上。

本发明中，智能FRP-混凝土复合结构主要由三部分组成：智能FRP层、钢筋混凝土芯子和锚固装置。智能FRP层主要采用碳纤维与高延性的非导电纤维（如玄武岩纤维、玻璃纤维）混杂。

这里所提到的混杂包括两方面的涵义。

一方面是力学性能的混杂。即，通过不同种类碳纤维之间的混杂，来提高复合材料的初始弹性模量、承载能力及所需要的其他性能；当高弹性模量纤维出现损伤后，其他纤维（中模量碳纤维、高强碳纤维或高延性纤维）可继续发挥作用，从而使混杂纤维复合材料具有良好稳定的二次刚度，而且其二次刚度、最大承载力及极限应变等指标可通过合理的混杂设计进行有效优化和控制。分布式测量电极在智能FRP层上的分布如图1所示，智能FRP层的长度、宽度及两相邻测量电极间距离可以根据实际工况和测量需求而定。所述的智能混杂FRP层含有两种及以上纤维，其中一种为具有压阻效应的碳纤维，可为高强度碳纤维、高弹模碳纤维或几种碳纤维的混合；另一种为非导电、低成本、高延性的纤维材料，如玄武岩纤维、玻璃纤维等纤维材料。混杂比例可以根据结构对智能FRP层的力学性能需求，依据混杂理论进行设计；如，为降低成本和对FRP的刚度要求较低的情况，可只用一束碳纤维束使其具备自传感功能即可，而忽略其结构材料功能；而对于某些对强度、刚度等力学性能要求高的情况，可以大量使用碳纤维，而在碳纤维的前后面各用一层非导电的纤维起到绝缘即可，碳纤维：非导电纤维的体积比可达8：1以上，但成本亦较高。各种纤维在混杂FRP中的分布遵循一定的原则，通常情况下碳纤维位于非导电的纤维层之间，成三明治状分布，如图2所示；另外，也可以进行碳纤维与其他纤维的纤维间混杂。

另一方面是传感性能的混杂。通过混杂低成本高延性的纤维材料（如，玄武岩纤维、玻璃纤维等纤维），可以较好改善智能混杂FRP层的测量稳定性，也可以很大程度的降低复合材料及结构的成本。此外，通过混杂高弹模碳纤维可以有效减小智能混杂FRP复合材料小电阻变化率所对应的应变范围，同时使电阻变化率随应变呈阶跃式变化，通过合理的混杂设计可保证每个电阻阶跃与结构的某一特定破坏阶段（形式）相对应，使智能FRP-混凝土复合结构具有基于混凝土结构破坏阶段的预警功能。混杂技术不仅有效避免纤维复合材料“脆性”缺陷，综合提高了混杂纤维复合材料的力学性能，而且优化了混杂纤维复合材料的自传感功能，同时由于碳纤维的价格昂贵，混杂其他纤维也降低了智能FRP层的制作价格，使其更能广泛地用于实际工程中。

FRP层智能化主要利用碳纤维的压阻效应和导电性，根据实际结构的需要，在FRP层安装分布式测量电极，然后直接通过仪器可以进行实时监测。

智能FRP层与混凝土结构的界面粘结通过化学粘结，且两端通过钢板锚固，锚固板通常设置在结构的两端，可以根据复合结构的跨度在其中间部位适当增加锚固板的数量。锚固底板可先预制于混凝土梁的两端，如图3所示，这样做既减少了施工中许多不必的程序，降低施工成本，同时更能保证施工的质量和效果，确保其能承受相应的荷载。同时，为了提高智能FRP层与混凝土结构的接触性和粘结性能，在混杂纤维浸胶后将其养护至半固化状态时与混凝土芯复合。这样便能够充分确保智能FRP层与钢筋混凝土芯的粘结性能，更高效地发挥FRP的高强特性。

对智能FRP层施加预应力时，由于智能FRP层一端已锚固于钢筋混凝土芯的一端部，所以只需对智能FRP层施加预应力即可，这样减少了施工程序，降低了施工成本，可以根据应变量或预张拉力大小来控制预应力的大小。同时，由于一端已经锚固，只给另一端施加张拉力即可。预应力的大小可以根据复合结构的性能需求以及自传感效果设计。而对比文件4则是对FRP纤维布的两端施加预应力，加热固化后再进行锚固，步骤多且复杂。相对于该发明专利而言，本发明专利所涉及的锚固技术之设备和操作简单，锚固过程中预应力损失小且制作时间短。由于智能FRP层的运用及预应力的施加，可以适当减少混凝土结构中钢筋的用量。

根据预应力的大小及梁的尺寸预先设计好锚固板的尺寸和开孔数量，同时如图10及11所示在锚固板底板上表面和锚固板顶板的下表面开槽，从而在锚固智能FRP层时，增加与智能FRP层的摩擦力，同时在两锚固板间刷结构胶，增强锚固效果。根据智能FRP-混凝土复合结构跨度的大小，可以每隔一段距离在复合结构上增设一处机械锚固。

智能FRP层两端与钢筋混凝土芯之间除用钢板进行机械锚固外还采用化学锚固，即在两相邻机械锚固部位之间采用化学粘接。与土木工程中经常使用的剪切键连接相比，化学粘结不容易造成混凝土结构内部的应力集中，使复合结构的受力更均匀；另一方面，化学粘结所形成的致密保护层与外部耐水性良好的FRP层一起，将钢筋混凝土与外界环境隔离开，可有效防止内部钢筋的腐蚀并提高复合结构的耐久性。

智能FRP层可以用于土木工程中各种受拉构件，从而可以形成各种截面的复合结构，如矩形截面（图8）、箱型截面（图9）、T形截面（图10）、工字型截面（图11）等。

结合FRP复合材料在混凝土结构应用中存在的问题，本发明提出了一种新型的智能FRP-混凝土复合结构及其制造方法。根据结构的性能及设计需要，对混杂FRP层施加了相应的预应力，除FRP层与混凝土通过结构胶粘结外，两端通过钢板锚固，充分利用材料的高强度等优点；通过混杂成本低的玄武岩纤维、玻璃纤维等纤维材料，降低其成本的同时提高了复合结构的延性；此外，本发明充分利用了碳纤维的压阻效应和导电特性，混杂FRP层具有自监测传感功能，能够对结构进行实施监测，提高了复合结构的附加值，从而可随时掌握结构状况做出相应的措施。这种智能复合结构不仅具有良好的增强与保护效果，同时FRP层可对结构进行有效的实时监测，大幅提高其承载能力、高耐久性、智能性等综合性能及其在工程应用中的安全性和可靠性，在土木工程特别是桥梁、高层及大型建筑中具有广阔的应用前景。

本发明是用混杂纤维布，既作结构材料，同时也作传感材料，此外采用了预应力技术有效克服了碳纤维传感在低应变区域传感性能不稳定的缺陷。

本发明采用预应力片材，同时安装了多个测量电极，首次实现了智能FRP材料的分布式测量。

本发明采用的是FRP片材并结合碳纤维的压阻效应实现了复合结构的智能化，且采用端部锚固技术确保了FRP与混凝土结构的可靠复合。

本发明是采用智能FRP片材张拉技术与混凝土结构进行复合开发智能复合结构，关键区别在于FRP片材中含有具有良好压阻效应的碳纤维，且布设了分布式测量电极可进行分布式监测和诊断。

有益效果：

综合力学性能改善和提高。智能FRP层与钢筋混凝土芯粘结，通过复合智能FRP层可以大幅提高复合结构的综合力学性能，如承载能力（开裂荷载、屈服荷载、极限荷载等）、二次刚度、抗疲劳、抗蠕变能力等力学性能。

抗腐蚀及耐久性能的提高。智能FRP层具有优异的抗化学腐蚀性能，通过粘结FRP层后可有效防止智能FRP-混凝土复合结构内部钢筋的腐蚀，从而提高复合结构的抗腐蚀性能和寿命周期。

预应力及锚固技术充分发挥了材料的性能特征。FRP复合材料具有高的抗拉强度，通常的粘贴无法发挥出其高抗拉强度高的特征，通过预应力技术可以充分发挥其高强等材料特性；而且钢板锚固能够防止在较大受力情况下智能FRP层与钢筋混凝土结构界面间的滑移，有效降低智能FRP-混凝土复合结构在制作及服役过程中的预应力损失。此外，预应力FRP层可大幅提高复合结构的抗开裂能力和裂缝出现后的抗裂缝发展的能力；同时，预应力的施加可一定程度的减少了钢筋用量，降低成本。

智能化提高了复合结构的安全性和附加值。基于碳纤维自身的压阻效应及导电性，使FRP-混凝土复合结构具有良好的自监测功能，达到一材两用的效果，可以大幅提高复合结构的安全性和附加值；此外，通过预应力和混杂非导电的纤维材料可以大幅改善和提高智能FRP复合材料的自传感性能，特别是测量的稳定性和精度。另外，通过监测碳纤维的电阻变化，可以对智能FRP-混凝土复合结构的预应力损失进行有效监测。

碳纤维与其他纤维的混杂，能充分发挥各种纤维的力学性能，形成有效互补，也更有利于智能FRP层及复合结构的自传感性能，同时也有效降低了FRP的成本，使其适合广泛用于实际工程中。从经济角度出发，FRP复合材料的一材两用既节约了材料，降低了成本，同时又能创造良好的经济效益。

附图说明

图1智能FRP层俯视示意图；

图2智能FRP层的截面构造示意图；

图3预制混凝土梁构造示意图；

图4智能FRP层与预制混凝土梁的复合工艺示意图；

图5智能FRP-混凝土复合梁构造示意图；

图6智能FRP-混凝土复合梁为矩形截面构造示意图；

图7智能FRP-混凝土复合梁为箱形截面构造示意图；

图8智能FRP-混凝土复合梁为T形截面构造示意图；

图9智能FRP-混凝土复合梁为工字形截面构造示意图；

图10锚固板底板示意图；

图11锚固板顶板示意图；

图12实验中钢筋混凝土梁截面尺寸示意图；

图13是图12钢筋混凝土梁截面配筋示意图；

图14智能FRP层、测量电极安装示意图；

图15是图14的四点弯试验图；

图16复合梁与原梁荷载-挠度曲线比较；

图17复合梁用智能FRP混杂片材与用普通CFRP片材的自监测性能比较；

图18复合梁Ⅰ第二单元荷载-电阻变化率/应变曲线。

图中：1、测量电极，2、FRP层，3-碳纤维层，4、非导电纤维层，5、树脂，6、钢筋混凝土梁，7、螺杆，8、锚固端底板，9、张拉端底板，10、锚固端顶板，11、张拉端顶板，12、张拉锚板，13、千斤顶，14、张拉锚板下的垫块，15、千斤顶下的垫块，16、螺母，17、结构胶，18、智能FRP层，19、矩形混凝土梁截面，20、箱形混凝土梁截面，21、T形混凝土梁截面，22、工字形混凝土梁截面。

具体实施方式：

（1）设计基本原则

FRP材料的应力应变关系符合线弹性关系，FRP层的计算采用复合材料层板理论，可近似忽略耦合刚度和弯曲刚度的影响。

FRP-混凝土复合结构的受弯设计中，除了符合钢筋混凝土正截面受弯承载力计算的基本假定外，还对智能FRP层采用平截面假设，无界面滑移等假设。

承载力可以用纤维法进行叠加计算。FRP的破坏准则采用最大应变理论，即纤维的应变必须小于纤维的极限应变。

智能FRP-混凝土复合结构具体由智能FRP层、钢筋混凝土芯、锚固装置等三个主要部分构成。其中，智能FRP层包括混杂FRP、测量电极等部分。

（2）原材料

智能FRP层若为碳纤维与非导电纤维的混杂FRP时，最好采用“三明治”式混杂，即将碳纤维混杂在非导电纤维之间，这样有利于提高智能FRP层的测量稳定性。所用的碳纤维可以为高强度（如日本T300碳纤维）、高弹模或中弹模碳纤维，以及不同种类碳纤维之间的混合。所用的非导电纤维一般要具有较高的强度、延性和韧性，如玄武岩纤维、玻璃纤维、超高模聚乙烯纤维等，推荐使用性价比高、成本较为低廉的玄武岩纤维或玻璃纤维。通过不同纤维的混杂既能保证复合结构的强度，又能使复合结构满足延性需求，而且由于碳纤维的导电性及压阻效应可以使智能FRP层能具有自传感功能。

FRP层间的粘结可采用环氧树脂（如：三悠浸渍胶）、不饱和聚酯树脂或热固性树脂等。FRP层与钢筋混凝土芯的结构胶可选用环氧树脂、不饱和聚酯树脂或热固性树脂。

测量电极主要材料有导电胶、铜导线。导电胶通常可以采用具有良好导电性的导电银胶、导电铜胶或其他类型的导电胶。首先，用砂纸或其他方法去除铜导线表面的氧化层，然后用酒精进行清洗后迅速安装到FRP层上。导电银胶建议采用H6/HA6型号，主剂与固化剂的配比为92:8。

对于某些情况，可不安装测量电极，则为FRP-混凝土复合结构，具备同样的力学性能，但结构没有智能传感特性。

锚固板采用钢板制作，建议钢板的厚度不小于3mm；根据结构的性能需求也可以选用FRP板等其他类型的板。为提高结构的耐久性，在钢板表面进行防腐处理，如喷涂防锈漆等技术手段。

选用高强度混凝土对提高复合结构的极限承载力有益，高强度混凝土与智能FRP层的高强力学性能匹配程度更高，二者结合也更能发挥出复合结构的性能特征。因而，可在造价许可的情况下选用较高强度的混凝土。

（3）制造方法

1）测量电极制作。测量电极的制作过程主要包括以下步骤：

1、根据设计要求在需要布置测量电极的部位，首先去除该部位碳纤维表面的浸润剂，然后涂抹导电胶，导电胶沿碳纤维宽度方向进行均匀涂抹；为了增大测量电极和碳纤维的接触面以及减少测量电极和纤维之间的接触电阻，碳纤维上下表面皆涂抹导电胶，同时要严格控制导电胶的宽度（通常要小于0.5cm），减少对混杂纤维布力学性能的影响。

2、导电胶涂抹完毕后，平直放置经过去除表面氧化层的导线，在表面放置塑料纸，避免相邻的纤维布相互粘结，不利于分层浸胶。

2）智能FRP层制作。智能FRP层的制作包括以下几个步骤：

1、根据工程需要，对纤维布进行下料，即选择合适的碳纤维及其它纤维的种类及尺寸（长度、宽度、厚度），将碳纤维置于其它纤维内侧，即三明治式混杂，在测量电极已制作好后对选择的纤维进行分层刷胶浸渍，在刷胶的过程中对纤维布施加一定的预拉力，保证纤维始终处于平直的状态。

2、刷胶完成后在纤维布的表面覆盖一层塑料纸，再放上工程电热垫进行升温养护，温度设定为40℃，养护12h浸渍胶半固化成型以后撤除发热垫，或在室温下养护24h。测量电极的数量可以根据智能FRP层的长短、损伤定位精度等多个因素进行考虑，通常情况下相邻两个测量电极之间的距离不小于20cm。

3）锚固板的制作。锚固板分为端部锚板和张拉端锚板两种。端部锚板和张拉端锚板均包括顶板和底板。锚固板内表面制作成波纹状（图6和7所示），建议波纹深为0.2-0.6mm，可以增加智能FRP层与锚固板之间的机械铆合能力。根据预制钢筋混凝土结构的尺寸以及智能FRP层的张力力度确定锚固板的尺寸（长度、宽度、厚度）以及锚固板上的开孔大小。

4)钢筋混凝土芯的制作。根据工程需要，设计适合的混凝土芯，并配置相应的模板，在梁的两端将锚固端底板和张拉端底板置于模板中并安装好螺杆，螺杆一端超出底板一定的长度，用于锚固顶板；另一端在模板内留有一定的长度，这样做能更好的与混凝土连接。同时，将两个底板和螺杆通过焊接或其他方式锚固于模板与钢筋笼子上，避免在浇筑混凝土时造成两底板和螺杆有位移上的挪动或者倾斜。根据实际条件，对钢筋混凝土梁进行养护，并达到预期的设计目标。

5）智能FRP-混凝土复合结构的制作。即，将智能FRP层、钢筋混凝土芯及锚固装置

进行复合。

预应力混杂纤维板铺设的主要过程如下：钢筋混凝土结构表面打磨→锚固端底板刷胶、浸渍并紧固顶部锚板→张拉端底板刷胶并紧固锚板→张拉锚板螺栓紧固→施加预应力（包括应力的预张拉、涂抹结构胶和预应力张拉）→张拉端锚具焊接固定→预应力放张。

具体工艺如下：

首先，对钢筋混凝土芯的底部进行处理。混凝土芯在浇筑后凝固的过程中表面会有浮浆，浮浆的强度相对于内部的混凝土比较低，而且其与内部的粘结不够牢固，因此需将梁的底部进行打磨，将浮浆部分清除。

在智能FRP层锚固端进行开孔，孔径大小、数量及位置由锚固板中螺杆的大小、数量及位置确定，然后将锚固端的底板上表面、FRP层锚固端下表面刷胶，将FRP层沿孔道套于螺杆上，接着将锚固端的顶板下表面及FRP层锚固端处上表面刷胶，同时固定锚固端顶板。

对智能FRP层预张拉，根据所设计预应力的大小或应变的大小来确定智能FRP层张拉的位移，待张拉到预指定的位置处时，于张拉端各个螺杆处在FRP层上做好标记，以便在FRP层张拉端处开孔。标记做完后，卸除荷载。

根据先前做好的标记在FRP层处开孔，然后在梁底、张拉端底板及FRP层刷一层结构胶，张拉FRP层到指定的位置，然后沿空套于锚杆上，接着在锚固端FRP层上表面及张拉端顶板下表面刷结构胶，并固定锚固板顶板。在涂刷结构胶的过程中要注意使结构胶层厚度均匀一致，防止内部出现空鼓现象。

待结构胶完全固化以后，对预应力进行放张，清除张拉端部的混杂纤维板，智能FRP-混凝土复合结构制作完成。

混杂纤维层采用的是机械锚固，即采用钢锚板进行锚固，避免了传统U型箍锚固时易出现锚固端剥离破坏，纤维复合材料强度不能充分发挥的缺点。根据实际工程梁的长度以FRP层的长度确定是否需在跨中加锚。为了增大纤维浸渍胶与锚板之间的咬合力，在设计制作锚板的时候，在锚板表面进行开小槽。

本技术与已有的FRP-混凝土复合结构相比有较大的优势，是一项创新的新型的智能复合结构。

实施例

本次试验所采用的钢筋混凝土芯的截面尺寸及配筋见图12、13，截面尺寸为宽×高=150×300mm；长度为3100mm，计算跨度为2700；其混凝土采用C30等级，试验梁底部为一排受拉钢筋顶部架立钢筋为箍筋采用Ф8加密区间隔90mm，非加密区间隔180mm，混凝土的保护层厚度为25mm。智能FRP-混凝土复合结构的智能FRP层粘结、测量电极安装及四点弯试验分别如图14和15所示，共安装4个测量测量电极，可以对智能FRP-混凝土复合结构进行分区域监测和进行损伤定位。

试验所用的钢筋混凝土芯为同一批次，其混凝土及各型号钢筋的性能按照试验规范，通过材性试验获得，如下表1所示。试验中所用碳纤维和玄武岩纤维的力学性能，如下表2所示。试验中碳纤维和玄武岩纤维的混杂方式，如下表3所示。其中FRP所用增强纤维及预应力设计值如表4所示。

表1钢筋和混凝土材性试验结果

表2碳纤维和玄武岩纤维的力学性能：

表3碳纤维和玄武岩纤维的混杂方式：

表4混杂FRP-混凝土复合梁的实例

下面给出试验中智能FRP-钢筋混凝土复合梁的四点弯曲测试结果。其中FRP所用增强纤维及预应力设计值如表4所示，测试结果如表5、6所示。所有试件的荷载-挠度曲线如图16所示，从该图可知复合结构的刚度大于原梁的刚度，特别是在混凝土出现开裂和钢筋屈服后；相对于原梁，复合结构的屈服荷载和最终荷载分别提高26%和36%以上；相对于原梁，复合结构的延性也得到了大幅的提高，钢筋屈服的延性和极限延性分别提高了30%和63%以上，大幅提高了结构的抗灾能力和安全性。

表5各试件试验结果

P_cr为混凝土梁开裂荷载，P_y为混凝土梁纵筋开始屈服时的荷载值，P_max表示最大承载力值。α_cr、α_y、α_max分别表示加固后各梁的开裂荷载、屈服荷载、最大承载力与未加固梁对应值的比值。

表6各试件试验结果（续）

Δ_cr、Δ_y、Δ_u分别表示对应开裂时、屈服时以及极限状态时的跨中挠度。

此外，通过混杂非导电的玄武岩纤维并施加预应力后，智能FRP层的自监测性能得到了大幅改善，如图17所示。经过混杂非导电的玄武岩纤维并施加预应力后，电阻变化率与荷载曲线平滑、线性度好，易于测量和对结果进行分析；而未施加预应力和混杂非导电纤维的CFRP片材的电阻变化稳定性比较差。

下面以复合梁I进行其智能监测性能说明，其智能FRP层的组成如表1所示，含有2层玄武岩纤维布和1层C1碳纤维布，测量电极布置及四点弯试验如图14、15所示。第二单位的电阻变化率与荷载及应变（由高精度FBG传感器所测）的关系如图18所示，可以发现电阻变化率与荷载及应变具有良好的对应关系，即通过电阻的测量可以知道结构所承受的荷载及应变大小，同时电阻变化率对结构的局部和整体损伤非常敏感。

Claims (4)

1.一种智能FRP-混凝土复合结构，包括钢筋混凝土芯以及设置在混凝土芯表面的智能FRP层，其特征在于：所述的智能FRP层由碳纤维层与位于碳纤维上下表面的非导电纤维层经树脂浸润并养护至半固化状态，在碳纤维上安装分布式测量的多个测量电极，测量电极与碳纤维通过导电胶紧密结合；在所述的混凝土芯表面设置有锚固装置，该锚固装置包括底板、顶板、螺栓以及螺母，所述的螺栓一端设置在所述的混凝土芯内部，所述的底板和顶板套在所述的螺栓上，所述的智能FRP层设置在所述的底板和顶板之间并通过螺母紧固，在所述的底板和顶板的内表面均制作成波纹状。

2.根据权利要求1所述的智能FRP-混凝土复合结构，其特征在于：所述的非导电纤维层纤维为玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、PBO纤维或Dyneema纤维。

3.根据权利要求1或2所述的智能FRP-混凝土复合结构，其特征是：所用树脂为环氧树脂或不饱和树脂。

4.一种制造权利要求1所述的智能FRP-混凝土复合结构的方法，其特征是：包括以下步骤：

第一步、测量电极安装：对碳纤维布进行预张拉，使碳纤维布处于伸直状态，然后去除安装测量电极部分碳纤维布表面的浸润剂，抛光金属测量电极并涂导电胶，将测量电极固定在碳纤维布上，使测量电极与碳纤维充分接触粘结，用导线连接测量电极；

第二步、智能FRP层的制备：将安装了测量电极的碳纤维布与非导电纤维布进行铺设，非导电纤维布位于碳纤维布的上下两侧，并用树脂进行含浸和半固化，形成半固化智能FRP层；

第三步、结构复合：对钢筋混凝土芯底面进行打磨后涂一层渗透性良好的结构性树脂并养护至半干状态，然后在半固化智能FRP层的粘结面涂一层环氧树脂后通过两端所粘结的钢板施加预应力，最后将半固化智能FRP层与钢筋混凝土芯进行复合和进行养护；

第四步、机械锚固：将智能FRP层的两端用机械锚固的方法锚固在钢筋混凝土芯的底面，切除用于张拉的粘结钢板处的多余纤维布。