CN105442758A - 大量程frp内嵌钢丝复合光纤智能筋及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋及其制备方法，该大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋包括：钢绞线、光纤或光纤光栅以及由纤维增强复合材料制成的包裹层，钢绞线设置于大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋的中心，沿钢绞线的长度方向光纤或光纤光栅呈螺旋形缠绕于钢绞线上，在光纤或光纤光栅的外侧包覆有包裹层。本发明一种大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋及其制备方法具有工程化高模量、抗剪切的优点并且可以满足大量程监测的需求，适合大范围的推广。
Description
技术领域
本发明属于结构健康监测和结构材料技术领域，具体涉及大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋及其制备方法。
背景技术
结构材料的耐腐蚀和结构的健康监测一直是土木工程领域的重要研究和发展方向。纤维增强复合材料(FiberReinforcedPolymer/Plastic，简称FRP)以其优异的耐腐蚀性、轻质高强、无磁性、热膨胀系数小等特点在土木工程领域得到越来越广泛的应用。然而，FRP材料具有低模量、低剪切强度、脆性破坏的缺点，严重限制了其进一步的推广。在专利号为CN200610009936.6，专利名称为：纤维增强塑料钢绞线复合筋的专利文献中，其公布了将钢绞线内嵌FRP材料中得到了纤维增强塑料钢绞线复合筋，该复合筋在一定程度上弥补了FRP材料的上述不足。但是，其自身并不具备感知自身受力状态或相应结构受力状态的功能。
光纤传感技术以稳定性优异、耐久性优良、灵敏度高、抗电磁干扰、便于分布式测量、集数据传输和传感于一体以及与FRP材料极易复合等独特优势，在土木工程的健康监测领域得到越来越广泛的应用。在专利号为CN201010623698.4，专利名称为内嵌钢绞线FRP光纤智能复合筋的专利文献中，其公布了将光纤传感器与纤维增强塑料钢绞线复合筋复合而得到的内嵌钢绞线FRP光纤智能复合筋，但上述智能筋中光纤传感器与FRP材料中的纤维平行排布，智能筋的应变与光纤传感器的应变相等，而光纤传感器的极限应变要小于FRP材料的极限应变，即在受力状态下，FRP筋体还未破坏，光纤传感器就已失效，这将直接导致智能筋体的整体极限应变受限于光纤传感器的极限应变。光纤传感器的极限应变只有1×104με左右，无法满足大量程监测的需求，这一缺点直接限制了智能筋在土木工程中的应用。
故一种工程化高模量、抗剪切并且可以满足大量程监测的需求的大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋及其制备方法亟待提出。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋及其制备方法，本发明大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋具有工程化高模量、抗剪切的优点并且可以满足大量程监测的需求，适合大范围的推广。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋，包括：钢绞线、光纤或光纤光栅以及由纤维增强复合材料制成的包裹层，钢绞线设置于大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋的中心，沿钢绞线的长度方向光纤或光纤光栅呈螺旋形缠绕于钢绞线上，在光纤或光纤光栅的外侧包覆有包裹层。
本发明大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋与传统结构不同，其采用将光纤或光纤光栅呈螺旋形缠绕于钢绞线上，再在光纤或光纤光栅的外侧包覆由纤维增强复合材料制成的包裹层。钢绞线作为光纤或光纤光栅的排列基体的同时提高了大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋的延性和抗剪能力。而采用纤维增强复合材料制成的包裹层，可以有效起到防腐以及保护光纤或光纤光栅的作用。在大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋受力的状态下，光纤光栅传感器测得的应变小于大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋的轴向应变，其增大了本发明大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋的量程。
在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：
作为优选的方案，在包裹层的表面带有肋。
采用上述优选的方案，根据具体的情况进行制作。
作为优选的方案，包裹层的表面呈光滑的圆柱形。
采用上述优选的方案，根据具体的情况进行制作。
作为优选的方案，纤维增强复合材料为玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料、玄武岩纤维增强复合材料中的一种。
采用上述优选的方案，根据具体的情况对纤维增强复合材料进行选择。
作为优选的方案，包裹层的厚度不小于1mm。
采用上述优选的方案，保护光纤或光纤光栅不被磨损。
作为优选的方案，在光纤或光纤光栅两端的尾纤穿有白套管。
采用上述优选的方案，便于制作光纤跳线。
大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋制备方法，包括以下具体步骤：
S1沿钢绞线的长度方向将光纤或光纤光栅呈螺旋形缠绕于钢绞线上并固定，形成待加工品；
S2将待加工品的表面涂覆有纤维增强复合材料；
S3将表面涂覆有纤维增强复合材料的待加工品通过成型板的成型孔拉挤成型，形成大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋。
本发明一种大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋制备方法，工艺简单，成本低。
作为优选的方案，步骤S1具体包括以下步骤：
S1.1将光纤或光纤光栅两端的尾纤穿入白套管并固定；
S1.2沿钢绞线的长度方向将光纤或光纤光栅呈螺旋形缠绕于钢绞线上并固定；
S1.3在光纤或光纤光栅两端的尾纤的白套管穿入铠装线并固定，形成待加工品。
采用上述优选的方案，便于制作光纤跳线。
作为优选的方案，制备方法还包括以下步骤：
S4在大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋上依次环向切断包裹层、铠装线、白套管，拨出光纤制作跳线。
采用上述优选的方案，便于制作光纤跳线。
附图说明
图1为本发明实施例提供的大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋的结构示意图之一。
图2为本发明实施例提供的大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋的剖视图之一。
图3为本发明实施例提供的大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋的结构示意图之二。
图4为本发明实施例提供的大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋的剖视图之二。
图5为本发明实施例提供的大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋的原理图。
其中：1包裹层；2钢绞线；3光纤；4铠装线；5白套管；6光纤光栅。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
为了达到本发明的目的，大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋及其制备方法的其中一些实施例中，
如图1-4所示，大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋，包括：钢绞线2、光纤3或光纤光栅6以及由纤维增强复合材料制成的包裹层1。在以下实施例中，大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋简称智能筋。
钢绞线2设置于智能筋的中心，沿钢绞线2的长度方向光纤3或光纤光栅6呈螺旋形缠绕于钢绞线2上，在光纤3或光纤光栅6的外侧包覆有厚度包裹层1。其中，光纤光栅6可以是一根写入了一个或多个光纤光栅的单模光纤，光纤光栅6的位置与智能筋筋体的关键位置或薄弱位置相对应，光纤光栅6的写入数量由智能筋筋体关键位置或薄弱位置的具体数量确定。
钢绞线2与纤维增强复合材料FRP的截面积比不宜过大，保证包裹层1的厚度至少为1mm，保护光纤3或光纤光栅6不被磨损。
包裹层1的表面呈光滑的圆柱形。纤维增强复合材料为玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料、玄武岩纤维增强复合材料中的一种，根据具体的情况对纤维增强复合材料进行选择。在光纤3或光纤光栅6两端的尾纤穿有白套管5。
大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋制备方法，包括以下具体步骤：
S1.1将光纤3或光纤光栅6两端的尾纤穿入白套管5，白套管5之间裸光纤长度比智能筋的长度短10cm，光纤光栅6不能穿入进白套管5，白套管5的尾纤比智能筋两端各长50cm，便于制作光纤跳线，白套管5两端用小喷火枪加热软化，捏住封口，进行固定，防止拉挤过程中纤维增强复合材料从白套管5两端进入管体；
S1.2沿钢绞线2的长度方向将光纤3或光纤光栅6呈螺旋形缠绕于钢绞线2上，并用胶水进行定位固定；
S1.3在光纤3或光纤光栅6两端的尾纤的白套管5穿入铠装线4并固定，形成待加工品；
S2将待加工品的表面涂覆有纤维增强复合材料；
S3将表面涂覆有纤维增强复合材料的待加工品通过成型板的成型孔拉挤成型，形成智能筋；
S4在大智能筋上依次环向切断包裹层1、铠装线4、白套管5，拨出光纤制作跳线。
本发明大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋及其制备方法中，其螺旋排布的光纤3或光纤光栅6可以实现增大智能筋量程的原理如下：
如图5所示，螺旋形光纤3或光纤光栅6与智能筋筋体轴向变形的夹角为α，智能筋筋体发生轴向应变ε′，光纤3或光纤光栅6的实际变形为ε，ε与ε′的关系为：
ε′≈ε×cosα
因为cosα＜1，因此，当光纤3或光纤光栅6达到本身的极限应变ε′max时，智能筋筋体的极限应变εmax≈ε′max/cosα＞ε′max，从而达到增大智能筋筋体量程的效果。
本发明一种大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋及其制备方法具有以下有益效果：
第一，本发明智能筋与传统结构不同，其采用将光纤3或光纤光栅6呈螺旋形缠绕于钢绞线2上，在智能筋受力的状态下，光纤光栅6传感器测得的应变小于智能筋的轴向应变，其增大了本发明大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋的量程。
第二，钢绞线2作为光纤3或光纤光栅6的排列基体，提高了智能筋的延性和抗剪能力。
第三，在光纤3或光纤光栅6的外侧包覆由纤维增强复合材料制成的包裹层1，可以有效起到防腐以及保护光纤3或光纤光栅6的作用。
第四，智能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。
本发明一种大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋及其制备方法，不但将纤维增强复合材料的防腐耐久、钢绞线优良的抗剪切能力及塑性以及光纤传感技术有机结合起来，更增大了其作为监测元件的测试量程，极大扩展了在土木工程中的应用范围，可广泛应用于预应力筋、桥梁拉索、吊杆的施工监测乃至长期监测中，可以有效满足大量程监测的需求。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，在包裹层1的表面带有类似钢筋的肋。
新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋，包括：钢绞线、光纤或光纤光栅以及由所述纤维增强复合材料制成的包裹层，其特征在于，所述钢绞线设置于所述大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋的中心，沿所述钢绞线的长度方向所述光纤或光纤光栅呈螺旋形缠绕于所述钢绞线上，在所述光纤或光纤光栅的外侧包覆有包裹层。
2.根据权利要求1所述的大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋，其特征在于，在所述包裹层的表面带有肋。
3.根据权利要求1所述的大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋，其特征在于，所述包裹层的表面呈光滑的圆柱形。
4.根据权利要求1-3任一项所述的大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋，其特征在于，所述纤维增强复合材料为玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料、玄武岩纤维增强复合材料中的一种。
5.根据权利要求4所述的大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋，其特征在于，所述包裹层的厚度不小于1mm。
6.根据权利要求5所述的大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋，其特征在于，在所述光纤或光纤光栅两端的尾纤穿有白套管。
7.大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-6任一项所述的大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋，包括以下具体步骤：
S1沿钢绞线的长度方向将光纤或光纤光栅呈螺旋形缠绕于钢绞线上并固定，形成待加工品；
S2将待加工品的表面涂覆有纤维增强复合材料；
S3将表面涂覆有纤维增强复合材料的待加工品通过成型板的成型孔拉挤成型，形成大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋。
8.根据权利要求7所述的大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：
S1.1将所述光纤或光纤光栅两端的尾纤穿入白套管并固定；
S1.2沿所述钢绞线的长度方向将所述光纤或光纤光栅呈螺旋形缠绕于所述钢绞线上并固定；
S1.3在所述光纤或光纤光栅两端的尾纤的白套管穿入铠装线并固定，形成待加工品。
9.根据权利要求8所述的大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括以下步骤：
S4在所述大量程FRP内嵌钢丝复合光纤智能筋上依次环向切断所述包裹层、所述铠装线、所述白套管，拨出所述光纤制作跳线。
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