CN105606617A - 测量cfrp加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置及方法，该装置包括设置在被测试件上的多根横向平行排列的横向光纤和多根纵向平行排列的纵向光纤，横向光纤和纵向光纤的断裂韧性与所述被测试件一致；光电传感器将光纤的光信号转换为电信号，显示器根据横向电信号显示每根光纤的通断情况，显示器另一端连接有数据处理单元，数据处理单元根据接收到的光纤的断裂时间及断裂位置计算所述被测试件裂纹的扩展路径和疲劳裂纹的扩展速率。本发明可以满足复杂不规则裂纹的扩展路径监测的要求；并且装置结构简单，成本低，自动化程度高，易于测量，可全程实时监测裂纹的扩展情况。

Description

测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置及方法

技术领域

本发明涉及材料疲劳性能检测技术领域，尤其涉及一种测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置及方法。

背景技术

随着钢结构在桥梁、高层建筑、起重机、海洋平台、体育场馆等领域的广泛使用，受环境条件和外界载荷的影响，裂纹在钢结构中普遍存在。裂纹的存在大大降低了钢结构的承载力和寿命，为消除安全隐患，需对其进行加固修复。传统的钢结构加固方法有焊接、铆接和螺栓连接等，这些方法虽然有一定的加固效果，但也会带来一系列新的问题，如产生新的应力集中和残余应力等。

碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢结构是近年发展起来的新技术。CFRP用胶水粘贴在钢结构受损部位，通过胶层的形变，一部分载荷传递到CFRP片材上，降低了受损部位的应力值，“钢结构-胶层-CFRP”共同受力，制约了裂纹的扩展。该技术克服了上述各种方法的缺点，由于CFRP具有自重轻、比强度高、抗疲劳性能和耐腐蚀性好、施工便捷等优点，CFRP加固钢结构的技术得到越来越广泛的应用。

为了探讨CFRP加固钢结构的疲劳裂纹扩展规律，评估该技术的修复效果，必须对修复结构进行试验研究，以实测数据作为支撑。现有的疲劳裂纹扩展规律测量方法主要有目测法、电位法、柔度法等。裂纹在CFRP覆盖下无法观测其扩展情况，因此不能用目测法；电位法易受环境因素的影响，精度低；柔度法需通过相关物理量的变化值换算成裂纹扩展长度，换算过程较为繁琐，容易造成误差。上述方法主要针对无加固下疲劳裂纹扩展速率的测量，而含裂纹钢结构在CFRP覆盖下的疲劳裂纹扩展路径和速率却无法实时监测。

目前涉及CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的专利还未见报道。申请号为201420457865.6的专利“结构裂纹检测装置”，可监测裂纹扩展路径和裂纹尖端应力场强弱的变化。由于该装置的铜线需布置在环氧树脂基底板上，故无法用于CFRP加固下裂纹的监测。且裂纹尖端有奇异性，裂纹在扩展时，裂纹尖端的应力趋于无穷大，应力的大小不再作为裂纹扩展的强度条件，因此裂纹尖端应力场强弱的监测并无很大意义，而应用疲劳裂纹扩展速率来研究裂纹的扩展情况。申请号为201110168553.4的专利“疲劳裂纹扩展速率自动测量装置及方法”，可通过计算机程序将断裂线断裂次序与时间的关系换算成裂纹长度与时间的关系，从而得到疲劳裂纹扩展速率。该方法没有控制断裂线之间的距离，易产生误差。该装置适用于规则裂纹的测量，而对复杂的不规则裂纹，则无法监测裂纹扩展的路径。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中测量疲劳裂纹的方法易产生误差，且无法监测CFRP覆盖加固下复杂不规则裂纹的缺陷，提供一种能够智能的、准确的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置，包括横向测量单元和纵向测量单元；

所述横向测量单元包括设置在被测试件上的多根横向平行排列的横向光纤，还包括与所述横向光纤相连的第一光电传感器，用于将所述横向光纤的光信号转换为横向电信号；所述第一光电传感器的另一端连接有第一显示器，用于根据横向电信号显示每根所述横向光纤的通断情况；

所述纵向测量单元包括设置在被测试件上的多根纵向平行排列的纵向光纤，还包括与所述纵向光纤相连的第二光电传感器，用于将所述纵向光纤的光信号转换为纵向电信号；所述第二光电传感器的另一端连接有第二显示器，用于根据纵向电信号显示每根所述纵向光纤的通断情况；

所述横向光纤和所述纵向光纤在光纤粘贴区内垂直相交，所述横向光纤和所述纵向光纤的断裂韧性与所述被测试件一致；所述第一显示器和所述第二显示器的另一端连接有数据处理单元，所述数据处理单元根据接收到的每根光纤的断裂时间及断裂位置计算所述被测试件裂纹的扩展路径和疲劳裂纹的扩展速率。

进一步地，本发明的所述第一显示器和所述第二显示器上均设置有多个指示灯，所述第一显示器上指示灯的数量与所述横向光纤的数量相同，所述第二显示器上指示灯的数量与所述纵向光纤的数量相同，每个指示灯分别与每根光纤相对应，用于显示光纤的通断。

进一步地，本发明的所述横向光纤和所述纵向光纤的一端均设置有光源。

本发明提供一种测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的方法，包括以下步骤：

S1、在被测试样的裂纹扩展区粘贴多根横向等间距平行布置和纵向等间距平行布置的光纤，并根据测量精度确定其间距；在裂纹表面粘贴CFRP加固并修复裂纹，并将粘贴好的光纤分别与光源、光电传感器连接，将光电传感器的输出端依次与显示器和数据处理单元连接；

S2、进行疲劳试验：裂纹随着疲劳载荷循环次数的增加而发生扩展，光纤随裂纹尖端张开位移的增大而断裂，显示器上对应的指示灯熄灭，数据处理单元记录各个指示灯的熄灭时间；

S3、数据处理单元根据光纤的间距和指示灯熄灭的先后顺序，拟合出裂纹的扩展路径，并根据扩展路径和每两个相邻指示灯的熄灭时间间隔，计算出各个时间间隔内的裂纹扩展量；

S4、数据处理单元根据疲劳载荷的周期和每两个相邻指示灯的熄灭时间间隔，得到该时间间隔内的载荷循环次数，并结合对应的裂纹扩展量得出疲劳裂纹的扩展速率。

进一步地，本发明的步骤S4中载荷循环次数的计算公式为：

$\mathrm{\Δ}N=\frac{\mathrm{\Δ}T}{T}$

其中，T为疲劳载荷周期，ΔT为两个相邻指示灯的熄灭间隔时间。

进一步地，本发明的步骤S4中疲劳裂纹扩展速率的计算公式为：

$\frac{da}{dN}=\frac{\mathrm{\Δ}a}{\mathrm{\Δ}N}$

其中，Δa为两个相邻指示灯的熄灭间隔时间内的裂纹扩展量，ΔN为载荷循环次数。

本发明产生的有益效果是：本发明的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置及方法，通过光纤将光信号转换为电信号，把裂纹在CFRP覆盖粘贴下的扩展情况转变为可视化的指示灯的熄灭，能够实时监测裂纹在CFRP加固下的扩展路径和扩展速率；并且可以根据测量精度的不同要求设置光纤的间距，满足复杂不规则裂纹的扩展路径监测的要求；并且本装置结构简单，成本低，自动化程度高，易于测量，可全程实时监测裂纹的扩展情况。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置的光纤随裂纹扩展而断裂的示意图；

图3是本发明实施例的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置的显示器的结构示意图；

图4是本发明实施例的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的方法的流程图；

图5是本发明实施例的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的方法的详细流程；

图中，1-被测试件，2-横向光纤，3-纵向光纤，4-光纤粘贴区，5-第一光电传感器，6-第二光电传感器，7-第一显示器，8-第二显示器，9-数据处理单元，10-指示灯。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置，包括横向测量单元和纵向测量单元；

横向测量单元包括设置在被测试件1上的多根横向平行排列的横向光纤2，还包括与横向光纤2相连的第一光电传感器5，用于将横向光纤2的光信号转换为横向电信号；第一光电传感器5的另一端连接有第一显示器7，用于根据横向电信号显示每根横向光纤2的通断情况；

纵向测量单元包括设置在被测试件1上的多根纵向平行排列的纵向光纤3，还包括与纵向光纤3相连的第二光电传感器6，用于将纵向光纤3的光信号转换为纵向电信号；第二光电传感器6的另一端连接有第二显示器8，用于根据纵向电信号显示每根纵向光纤3的通断情况；

第一显示器7和第二显示器8上均设置有多个指示灯10，第一显示器7上指示灯10的数量与横向光纤2的数量相同，第二显示器8上指示灯10的数量与纵向光纤3的数量相同，每个指示灯10分别与每根光纤相对应，用于显示光纤的通断。

横向光纤2和纵向光纤3在光纤粘贴区4内垂直相交，横向光纤2和纵向光纤3的断裂韧性与被测试件1一致；第一显示器7和第二显示器8的另一端连接有数据处理单元9，数据处理单元9根据接收到的每根光纤的断裂时间及断裂位置计算被测试件1裂纹的扩展路径和疲劳裂纹的扩展速率。

在本发明的另一个实施例中，该装置由两组组件构成，一组是由第一光源、横向光纤、第一光电传感器、第一显示器组成，另一组是由第二光源、纵向光纤、第二光电传感器、第二显示器组成，两组组件均与计算机相连。第一光源和第二光源分别为横向光纤和纵向光纤提供光源。

图1中虚线区域为裂纹扩展区，也是光纤粘贴区，在该区域粘贴横向光纤和纵向光纤。横向光纤和纵向光纤的规格一致，只是布置的方式不一样，且横向光纤和纵向光纤的断裂韧性与被测试件一致，用于保证该处光纤与其下表面的试样断裂时间同步。

如图2所示，图中显示了随着裂纹的扩展光纤的断裂情况，光纤的断裂可显示裂纹尖端的位置。光纤的规格由被测试件的断裂韧性决定。每相邻两根横向光纤之间的距离保持一致，每相邻两根纵向光纤之间的距离也保持一致，为拟合疲劳裂纹扩展路径提供了条件。所述光电传感器用于信号的转换，第一光电传感器将横向光纤的光信号转换为电信号，第二光电传感器将纵向光纤的光信号转换为电信号。

如图3所示，显示器上有若干只指示灯。第一显示器上指示灯的数量与横向光纤的数量一致，每只指示灯对应一根横向光纤，该横向光纤断裂则指示灯熄灭；第二显示器上指示灯的数量与纵向光纤的数量一致，每只指示灯对应一根纵向光纤，该纵向光纤断裂则指示灯熄灭。

所述计算机用于拟合被测试件中裂纹的扩展路径，并计算疲劳裂纹扩展速率。随着疲劳载荷循环次数的增加，被测试件上裂纹发生扩展，裂纹前缘的裂纹张开位移增大，由于光纤的断裂韧性与被测试件一致，该处的光纤也发生断裂。当裂纹尖端扩展至某横向光纤时，该横向光纤发生断裂，导致第一显示器上指示灯熄灭，根据相邻横向光纤之间的距离，在计算机中可确定该时刻裂纹尖端的横向位置；当裂纹尖端扩展至某纵向光纤时，该纵向光纤发生断裂，导致第二显示器上指示灯熄灭，根据相邻纵向光纤之间的距离，在计算机中可确定该时刻裂纹尖端的纵向位置。根据多个时刻裂纹尖端的横向位置和纵向位置，在计算机中可拟合裂纹扩展的路径。根据拟合的疲劳裂纹扩展路径，可得到每两只指示灯熄灭时间间隔ΔT内的裂纹扩展量Δa，再根据载荷循环周期T，可得到时间间隔ΔT内的载荷循环次数ΔN，由裂纹扩展量Δa和载荷循环次数ΔN得到该ΔT时刻内的疲劳裂纹扩展速率。

如图4所示，本发明实施例的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的方法用于实现本发明实施例的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置，包括以下步骤：

S1、在被测试样的裂纹扩展区粘贴多根横向等间距平行布置和纵向等间距平行布置的光纤，并根据测量精度确定其间距；在裂纹表面粘贴CFRP加固并修复裂纹，并将粘贴好的光纤分别与光源、光电传感器连接，将光电传感器的输出端依次与显示器和数据处理单元连接；

S2、进行疲劳试验：裂纹随着疲劳载荷循环次数的增加而发生扩展，光纤随裂纹尖端张开位移的增大而断裂，显示器上对应的指示灯熄灭，数据处理单元记录各个指示灯的熄灭时间；

S3、数据处理单元根据光纤的间距和指示灯熄灭的先后顺序，拟合出裂纹的扩展路径，并根据扩展路径和每两个相邻指示灯的熄灭时间间隔，计算出各个时间间隔内的裂纹扩展量；

S4、数据处理单元根据疲劳载荷的周期和每两个相邻指示灯的熄灭时间间隔，得到该时间间隔内的载荷循环次数，并结合对应的裂纹扩展量得出疲劳裂纹的扩展速率。

如图5所示，在本发明的另一个实施例中，本发明的方法包括以下步骤：

步骤1、将横向光纤2和纵向光纤3粘贴于被测试样1的裂纹扩展区4，每相邻两条横向光纤之间的距离设为W₁，每相邻两条纵向光纤之间的距离设为W₂，W₁和W₂的具体数值大小由试验所需精度确定；

步骤2、在裂纹表面粘贴CFRP加固修复裂纹；

步骤3、将粘贴好的横向光纤两端分别与第一光源和第一光电传感器相连，用导线将第一光电传感器和第一显示器连接；纵向光纤两端分别与第二光源和第二光电传感器相连，用导线将第二光电传感器和第二显示器连接。每条光纤对应一只指示灯，第一显示器和第二显示器均与计算机连接；

步骤4、在疲劳试验机上进行疲劳试验，随着疲劳载荷循环次数的增加，裂纹沿一定的路径发生扩展。裂纹尖端处裂纹张开位移增大，该处光纤发生断裂，显示器上对应该光纤的指示灯熄灭，记录下每只指示灯熄灭的时间T_i；

步骤5、根据所述步骤1设置的光纤间距W₁、W₂及所述步骤4记录下的指示灯熄灭时间T_i，在计算机上拟合该裂纹扩展的路径；

步骤6、根据所述步骤5拟合的裂纹扩展路径，得到每两只指示灯熄灭的时间间隔ΔT内裂纹扩展量Δa；

步骤7、由疲劳载荷周期T和指示灯熄灭时间间隔ΔT可得到时间ΔT内的载荷循环次数ΔN，计算方程如下：

$\mathrm{\Δ}N=\frac{\mathrm{\Δ}T}{T}$

步骤8、根据所述步骤6所得Δa和所述步骤7计算得到的ΔN，计算该ΔT时间内的疲劳裂纹扩展速率计算方程如下：

$\frac{da}{dN}=\frac{\mathrm{\Δ}a}{\mathrm{\Δ}N}$

上述所求疲劳裂纹扩展速率为ΔT时间内的平均扩展速率，当ΔT足够小时，即为该时刻的疲劳裂纹扩展速率，所需精度由具体的试验决定，由步骤1设定的参数W₁、W₂控制。

本发明的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置和方法，将裂纹的扩展情况转化为光纤的断裂，通过光电传感器将光信号转化为方便测量的电信号，再通过指示灯把裂纹的扩展过程变为可视化，最后通过计算机拟合裂纹扩展的路径并求得疲劳裂纹扩展速率。本发明自动化程度高、成本低，可同时测量裂纹在CFRP覆盖加固下裂纹扩展的路径和速率，不受裂纹形状的限制，适应于各种不规则裂纹的测量。本发明为CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的研究提供了一种有力的装置和方法。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置，其特征在于，包括横向测量单元和纵向测量单元；

所述横向测量单元包括设置在被测试件(1)上的多根横向平行排列的横向光纤(2)，还包括与所述横向光纤(2)相连的第一光电传感器(5)，用于将所述横向光纤(2)的光信号转换为横向电信号；所述第一光电传感器(5)的另一端连接有第一显示器(7)，用于根据横向电信号显示每根所述横向光纤(2)的通断情况；

所述纵向测量单元包括设置在被测试件(1)上的多根纵向平行排列的纵向光纤(3)，还包括与所述纵向光纤(3)相连的第二光电传感器(6)，用于将所述纵向光纤(3)的光信号转换为纵向电信号；所述第二光电传感器(6)的另一端连接有第二显示器(8)，用于根据纵向电信号显示每根所述纵向光纤(3)的通断情况；

所述横向光纤(2)和所述纵向光纤(3)在光纤粘贴区(4)内垂直相交，所述横向光纤(2)和所述纵向光纤(3)的断裂韧性与所述被测试件(1)一致；所述第一显示器(7)和所述第二显示器(8)的另一端连接有数据处理单元(9)，所述数据处理单元(9)根据接收到的每根光纤的断裂时间及断裂位置计算所述被测试件(1)裂纹的扩展路径和疲劳裂纹的扩展速率。

2.根据权利要求1所述的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置，其特征在于，所述第一显示器(7)和所述第二显示器(8)上均设置有多个指示灯(10)，所述第一显示器(7)上指示灯(10)的数量与所述横向光纤(2)的数量相同，所述第二显示器(8)上指示灯(10)的数量与所述纵向光纤(3)的数量相同，每个指示灯(10)分别与每根光纤相对应，用于显示光纤的通断。

3.根据权利要求1所述的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置，其特征在于，所述横向光纤(2)和所述纵向光纤(3)的一端均设置有光源。

4.一种测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在被测试样的裂纹扩展区粘贴多根横向等间距平行布置和纵向等间距平行布置的光纤，并根据测量精度确定其间距；在裂纹表面粘贴CFRP加固并修复裂纹，并将粘贴好的光纤分别与光源、光电传感器连接，将光电传感器的输出端依次与显示器和数据处理单元连接；

S2、进行疲劳试验：裂纹随着疲劳载荷循环次数的增加而发生扩展，光纤随裂纹尖端张开位移的增大而断裂，显示器上对应的指示灯熄灭，数据处理单元记录各个指示灯的熄灭时间；

S3、数据处理单元根据光纤的间距和指示灯熄灭的先后顺序，拟合出裂纹的扩展路径，并根据扩展路径和每两个相邻指示灯的熄灭时间间隔，计算出各个时间间隔内的裂纹扩展量；

S4、数据处理单元根据疲劳载荷的周期和每两个相邻指示灯的熄灭时间间隔，得到该时间间隔内的载荷循环次数，并结合对应的裂纹扩展量得出疲劳裂纹的扩展速率。

5.根据权利要求4所述的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的方法，其特征在于，步骤S4中载荷循环次数的计算公式为：

$\mathrm{\Δ}N=\frac{\mathrm{\Δ}T}{T}$

其中，T为疲劳载荷周期，ΔT为两个相邻指示灯的熄灭间隔时间。

6.根据权利要求5所述的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的方法，其特征在于，步骤S4中疲劳裂纹扩展速率的计算公式为：

$\frac{da}{dN}=\frac{\mathrm{\Δ}a}{\mathrm{\Δ}N}$

其中，Δa为两个相邻指示灯的熄灭间隔时间内的裂纹扩展量，ΔN为载荷循环次数。