CN103422586B - 压电复合材料传感层智能监测免维护屈曲约束支撑 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电复合材料传感层智能监测免维护屈曲约束支撑，包括耗能钢芯、GFRP约束段、波形节、成型泡沫、传感层数据传输线和压电复合材料传感层，所述GFRP约束段的两端设有波形节，GFRP约束段和波形节的内部中心设有耗能钢芯，GFRP约束段沿耗能钢芯对称布置，所述压电复合材料传感层位于GFRP约束段内，压电复合材料传感层平行设置在耗能钢芯的长边两侧，压电复合材料传感层与耗能钢芯之间留有间隙，压电复合材料传感层与传感层数据传输线连接，压电复合材料传感层与GFRP约束段连接形成整体结构的空隙内填充有成型泡沫，所述压电复合材料传感层由压电智能夹层、玻璃纤维布和环氧树脂组成。
Description
技术领域
本发明涉及一种屈曲约束支撑技术，具体涉及一种压电复合材料传感层智能监测免维护屈曲约束支撑。
背景技术
现有屈曲约束支撑能较好地改进结构物的动力特性，提高其抗振或抗震性能。但现有支撑采用被动式约束模式，无法获知支撑的工作状态，也不能说明支撑的损伤状况。
发明内容
本发明的目的在于针对现有屈曲约束支撑无法反映自身工作状态的缺陷，提出一种具有智能监测功能的新型钢-复合材料屈曲约束支撑。
本发明采用的技术方案为：一种压电复合材料传感层智能监测免维护屈曲约束支撑，包括耗能钢芯、GFRP约束段、波形节、成型泡沫、传感层数据传输线和压电复合材料传感层，所述GFRP约束段的两端设有波形节，GFRP约束段和波形节的内部中心设有耗能钢芯，GFRP约束段沿耗能钢芯对称布置，所述压电复合材料传感层位于GFRP约束段内，压电复合材料传感层平行设置在耗能钢芯的长边两侧，压电复合材料传感层与耗能钢芯之间留有间隙，压电复合材料传感层与传感层数据传输线连接，压电复合材料传感层与GFRP约束段连接形成整体结构的空隙内填充有成型泡沫，所述压电复合材料传感层由压电智能夹层、玻璃纤维布和环氧树脂组成。
作为优选，所述耗能钢芯端部焊接有两个加劲肋，形成连接板，上面设有与结构节点板相连接的螺栓孔。
本发明通过整体成型工艺，压电复合材料层与GFRP约束段形成一个整体，压电复合材料传感层和GFRP约束段包裹成型泡沫，成型泡沫为整体成型工艺中GFRP约束段和压电复合材料传感层的模子，压电复合材料传感层内引出导线作为传感层数据传输线，耗能钢芯位于对称布置的GFRP约束段和压电复合材料传感层中。
有益效果：本发明利用压电复合材料传感层的监测耗能钢芯的工作状态，进而说明支撑工作性能和损伤情况。压电复合材料传感层由玻璃纤维、压电智能夹层和环氧树脂成，和GFRP复合材料约束段组成相近，采用整体成型工艺，一次即可完成传感层和约束段的制作，简便高效，形成的整体耐腐蚀性好。本发明从屈曲约束支撑的构造形式及传感器材料方面进行了创新，具有结构合理、自重轻、耐腐蚀、免维护、能智能监控的特点。新型屈曲约束支撑除具有减少建筑结构的振动响应（如地震、风振等），起到减振（震）保护作用的优点外，还具备工作状态可知、损伤情况可查的优点，是一种新型智能结构构件。
附图说明
图1为本发明支撑整体结构示意图；
图2为本发明支撑截面示意图；
图3-7为屈曲约束支撑变形历程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1和2所示，一种压电复合材料传感层智能监测免维护屈曲约束支撑，包括耗能钢芯1、GFRP约束段2、波形节3、成型泡沫4、传感层数据传输线5和压电复合材料传感层6，所述GFRP约束段2的两端设有波形节3，GFRP约束段2和波形节3的内部中心设有耗能钢芯1，GFRP约束段2沿耗能钢芯1对称布置，所述压电复合材料传感层6位于GFRP约束段2内，压电复合材料传感层6平行设置在耗能钢芯1的长边两侧，压电复合材料传感层6与耗能钢芯1之间留有间隙，压电复合材料传感层6与传感层数据传输线5连接，压电复合材料传感层6与GFRP约束段2连接形成整体结构的空隙内填充有成型泡沫4，所述压电复合材料传感层6由压电智能夹层、玻璃纤维布和环氧树脂组成。所述耗能钢芯1端部焊接有两个加劲肋，形成连接板，上面设有与结构节点板相连接的螺栓孔。
本发明屈曲约束支撑的工作原理是：
屈曲约束支撑工作时，耗能钢芯与外部GFRP约束段和压电复合材料传感层作为一个整体受力，但相比于耗能钢芯受力单元，波形节轴向刚度较小，轴力分配到外部GFRP约束段和压电复合材料传感层的很少，支撑所承受的轴向拉压力可视为完全由耗能钢芯受力单元承受。耗能钢芯受力单元在受拉时可以达到屈服；受压时，假设支撑所受初始轴力为P，如图3所示，耗能钢芯受力单元产生侧向变形，耗能钢芯受力单元侧移最大的部位首先与压电复合材料传感层接触，耗能钢芯受力单元达到最低阶屈曲模态，如图4所示，此时GFRP约束段和压电复合材料传感层发生弯曲；随着轴力的增加，耗能钢芯受力单元的侧向变形增大，由于GFRP约束段和压电复合材料传感层的约束限制耗能钢芯受力单元在接触点上变形的发展，耗能钢芯受力单元就会向高阶屈曲模态发展，如图5-7所示，GFRP约束段和压电复合材料传感层弯曲变形随之增大。如此发展下去，只要GFRP约束段和碳纤维智能传感层具有足够的抗弯刚度，支撑所受轴力可以一直增加直至耗能钢芯受力单元达到全截面屈服，此时GFRP约束段和压电复合材料传感层未发生弯曲破坏。
压电复合材料信号抗干扰能力强、反应迅速、响应频带宽、可以同时具备驱动器和传感器的功能，在结构健康监测和损伤识别发挥重要作用。压电复合材料传感层具有良好的传感特性，其输出电压与输入荷载呈现明显的一一对应关系，且基本同步，不存在滞后现象。
当支撑内耗能钢芯屈曲变形时，压电复合材料传感层的电压信号反映了GFRP约束段和压电复合材料传感层的应变水平，结合钢-复合材料屈曲约束支撑承载力模型，就可由压电复合材料传感层的应变获得耗能钢芯的屈曲变形，反映耗能钢芯的屈曲工作状态。耗能钢芯工作状态能反映支撑的使用情况和完整性。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (2)
1.一种压电复合材料传感层智能监测免维护屈曲约束支撑，其特征在于：包括耗能钢芯、GFRP约束段、波形节、成型泡沫、传感层数据传输线和压电复合材料传感层，所述GFRP约束段的两端设有波形节，GFRP约束段和波形节的内部中心设有耗能钢芯，GFRP约束段沿耗能钢芯对称布置，所述压电复合材料传感层位于GFRP约束段内，压电复合材料传感层平行设置在耗能钢芯的长边两侧，压电复合材料传感层与耗能钢芯之间留有间隙，压电复合材料传感层与传感层数据传输线连接，压电复合材料传感层与GFRP约束段连接形成整体结构的空隙内填充有成型泡沫，所述压电复合材料传感层由压电智能夹层、玻璃纤维布和环氧树脂组成。
2.根据权利要求1所述的压电复合材料传感层智能监测免维护屈曲约束支撑，其特征在于：所述耗能钢芯端部焊接有两个加劲肋，形成连接板，上面设有与结构节点板相连接的螺栓孔。
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