CN105716758A - 一种纤维增强塑料智能碳板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种纤维增强塑料智能碳板及其制备方法，该智能碳板包括：光纤光栅传感器、设置于光纤光栅传感器外侧的包覆部以及设置于包覆部外侧的锚固组件，包覆部由纤维增强塑料制成，光纤光栅传感器通过测试跳线与光纤光栅解调仪连接。本发明纤维增强塑料智能碳板及其制备方法将光纤光栅传感器和包覆部有机结合起来，减少了外贴传感器的复杂工序，消除了传感器安装误差，保证了传感器的存活率，满足了工程监测需求，可广泛用于建筑与桥梁结构工程安全状态监测。
Description
技术领域
本发明属于建筑与桥梁结构工程安全监测技术领域，具体涉及一种纤维增强塑料智能碳板及其制备方法。
背景技术
预应力碳纤维板作为一种提高建筑与桥梁结构体系自身强度及自稳能力的加固结构，具有施工方便、操作简单等优点，已在桥梁、建筑等工程中获得广泛应用，例如在河南连霍高速加固项目中，采用了预应力碳纤维板对混凝土T梁、空心板梁进行加固以提高河南连霍高速梁体结构的承载能力。然而目前工程中惯用的钢板加固等尚存在自重大、运输和安装困难、不易切割及切割时易产生火花等不足，其制约了钢板加固的应用；同时钢板加固在工程环境中易腐蚀，其不仅影响结构的耐久性并带来巨大工程安全隐患，严重时甚至引发重大工程事故。为了克服上述钢板加固的不足，基于纤维增强塑料的抗拉强度高、重量轻、耐腐蚀、易加工等优良特性，研制开发新型高性能纤维增强塑料碳纤维板已成为建筑与桥梁结构加固工程领域的重要课题。
另一方面，如何实现碳板受力及损失状态的实时监测、确保预应力碳板加固工程长期安全稳定，也是建筑与桥梁结构加固工程技术发展的关键。目前国内外对梁体的受力及损伤状态测试方法主要采用外贴传感器测试其在荷载作用下的受力和损伤状态。但此方法存在工序复杂、安装误差较大、存活率低、耐久性差及长期稳定性差等缺点，难以满足长期稳定监测需求。而近年来发展起来的光纤光栅传感技术具有性能稳定、耐久性好、灵敏度高、抗电磁干扰强、便于测量、集数据传输和传感于一体及易于与纤维增强树脂材料复合等独特优势，为解决建筑与桥梁结构工程受力及损伤状态的长期稳定监测难题提供了新的技术思路。
目前已有相关学者尝试采用光纤光栅测试技术对碳板的受力状态进行监测，进而评价碳板的受力及损失状态。但其测试方法仍存在以下局限性：①采用的裸光栅或光纤表面粘贴的传感器布设工艺存在传感器及传输线路易损坏的致命缺点，难以适应粗放式施工要求；②传感器粘贴布设所采用的胶黏剂，其耐久性没有基本保障，无法确保碳板受力状态的长期稳定监测；③外贴传感器工艺复杂，容易产生安装误差。
因此，预应力碳板的受力测试和损伤评估亟需可靠测试手段和技术。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种高强度、轻质量、耐腐蚀且具有自监测功能的纤维增强塑料智能碳板及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种纤维增强塑料智能碳板包括：光纤光栅传感器、设置于光纤光栅传感器外侧的包覆部以及设置于包覆部外侧的锚固组件，包覆部由纤维增强塑料制成，光纤光栅传感器通过测试跳线与光纤光栅解调仪连接。
本发明一种纤维增强塑料智能碳板将光纤光栅传感器与纤维增强塑料有机结合起来，形成一体式的结构。光纤光栅传感器通过与光纤光栅解调仪连接，将光纤光栅感测得到的代表碳板对应加固结构的关键位置或易损位置应变的光信号传递给光纤光栅解调仪，从而采用局部高精度光纤光栅对碳板对应加固结构的关键或易损部位的应变状态进行重点监测、定量分析。
本发明一种纤维增强塑料智能碳板能够有效地监测、评估碳板使用过程中的锚固环境、受力及损失状态，为反馈指导碳板施工及加固后结构的安全评定提供直接的信息。纤维增强塑料智能碳板继承了纤维增强塑料轻质、高强、高耐久性及易切割等优点，可以根据工程实际需要加工、切割成任意长度，适于产业化生产，可广泛用于建筑结构、桥梁结构等结构加固工程。
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，光纤光栅传感器为一根写入了一个或多个光纤光栅的单模光纤。
采用上述优选的方案，结构简单。
作为优选的方案，光纤光栅传感器为平行布设的多根写入了一个或多个光纤光栅的单模光纤。
采用上述优选的方案，结构简单。
作为优选的方案，锚固组件包括固定端锚部件和张拉端锚部件，固定端锚部件套设于包覆部的固定端，张拉端锚部件套设于包覆部的张拉端。
采用上述优选的方案，结构牢固，便于进行纤维增强塑料智能碳板的张拉。
作为优选的方案，在包覆部外侧还设有锚头保护装置，锚头保护装置设置于测试跳线与固定端锚部件之间，用于保护测试跳线。
采用上述优选的方案，结构牢固，锚头保护装置对测试跳线进行保护。
作为优选的方案，固定端锚部件和张拉端锚部件为楔形夹片式锚头。
采用上述优选的方案，结构简单。
作为优选的方案，包覆部由碳纤维增强塑料制成。
采用上述优选的方案，效果好。
作为优选的方案，在包覆部的外表面设有凹槽和/或凸起。
采用上述优选的方案，可以有效保证包覆部与加固结构体连接的紧固度。
一种纤维增强塑料智能碳板制备方法，用于制备纤维增强塑料智能碳板，具体包括以下步骤：
一、备料：先将纤维增强塑料和光纤光栅传感器预先准备好；
二、入模：将纤维增强塑料和光纤光栅传感器一起送入模具中；
三、固化：将纤维增强塑料加热牵引固化成型；
四、拉伸成型：拉挤设备对固化后的纤维增强塑料进行拉伸成型，纤维增强塑料在光纤光栅传感器外部形成包覆部；
五、制作测试跳线，在光纤光栅传感器的一端熔接测试跳线，并在测试跳线的一端安装锚头保护装置；
六、安装锚固组件，在包覆部的外侧安装锚固组件。
一种纤维增强塑料智能碳板制备方法制作工艺简单，光纤光栅传感器和外层的纤维增强塑料包覆部有机地固结成一体。
作为优选的方案，步骤六具体为：在包覆部的固定端安装固定端锚部件，在包覆部的张拉端安装张拉端锚部件。
采用上述优选的方案，安装便捷，结构牢固。
附图说明
图1为本发明实施例提供的纤维增强塑料智能碳板的结构示意图之一。
图2为本发明实施例提供的纤维增强塑料智能碳板的剖视图之一。
图3为本发明实施例提供的纤维增强塑料智能碳板的结构示意图之二。
图4为本发明实施例提供的纤维增强塑料智能碳板的结构示意图之三。
图5为本发明实施例提供的纤维增强塑料智能碳板的剖视图之二。
其中：1光纤光栅传感器、11单模光纤、2包覆部、3测试跳线、4固定端锚部件、5张拉端锚部件、6锚头保护装置、7光纤光栅解调仪、8加固结构体。
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，纤维增强塑料智能碳板的其中一些实施例中，
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
如图1-3所示，一种纤维增强塑料智能碳板包括：光纤光栅传感器1、设置于光纤光栅传感器1外侧的包覆部2以及设置于包覆部2外侧的锚固组件，包覆部2由纤维增强塑料制成，光纤光栅传感器1通过测试跳线3与光纤光栅解调仪7连接。包覆部2的外表面呈光滑板体。
光纤光栅传感器1为一根写入了一个或多个光纤光栅的单模光纤11。
锚固组件包括固定端锚部件4和张拉端锚部件5，固定端锚部件4套设于包覆部2的固定端，张拉端锚部件5套设于包覆部2的张拉端。在本实施例中，固定端锚部件4和张拉端锚部件5为楔形夹片式锚头。
在包覆部2外侧还设有锚头保护装置6，锚头保护装置6设置于测试跳线3与固定端锚部件4之间，用于保护测试跳线3。
一种纤维增强塑料智能碳板制备方法，用于制备纤维增强塑料智能碳板，具体包括以下步骤：
一、备料：先将纤维增强塑料和光纤光栅传感器1预先准备好；
二、入模：将纤维增强塑料和光纤光栅传感器1一起送入模具中；
三、固化：将纤维增强塑料加热牵引固化成型；
四、拉伸成型：拉挤设备对固化后的纤维增强塑料进行拉伸成型，纤维增强塑料在光纤光栅传感器外部形成包覆部2；
五、制作测试跳线3，在光纤光栅传感器1的一端熔接测试跳线3，并在测试跳线3的一端安装锚头保护装置6；
六、安装锚固组件，在包覆部2的固定端安装固定端锚部件4，在包覆部2的张拉端安装张拉端锚部件5。
一种纤维增强塑料智能碳板制备方法制作工艺简单，光纤光栅传感器1与外部的增强塑料纤维包覆部2固结性能良好，两者可以一起协调变形，具有优异的智能感知特性。
在将一种纤维增强塑料智能碳板制备好后，根据智能碳板确定的长度，在加固结构体8底面进行定位钻孔、植螺栓并安装支座，进行智能碳板的张拉，张拉后采用碳板胶将板体安装固定，并进行成品保护。
由于光纤光栅传感器1与光纤光栅解调仪7连接，构建智能监测系统，通过光纤光栅解调仪解调光纤光栅中心波长变化，可以测得碳板在光纤光栅传感器处的应变。通过碳板在光纤光栅传感器处的应变可以进行结构受力状态的分析，进行结构的安全评定。
本发明一种纤维增强塑料智能碳板将光纤光栅传感器与纤维增强塑料有机结合起来，两者可以一起协调变形。光纤光栅传感器1通过与光纤光栅解调仪7连接，将光纤光栅感测得到的代表碳板对应加固结构的关键位置或易损位置应变的光信号传递给光纤光栅解调仪7，从而采用局部高精度光纤光栅对碳板对应加固结构的关键或易损部位的应变状态进行重点监测、定量分析。
光纤光栅传感器1能够有效地监测、评估碳板使用过程中的锚固环境、受力及损伤状态变化，为反馈指导碳板施工及加固后结构的安全评定提供直接的信息。纤维增强塑料智能碳板继承了纤维增强塑料轻质、高强、高耐久性及易切割等优点，可以根据工程实际需要加工切割成任意长度，适用于产业化生产，可广泛用于建筑结构、桥梁结构等结构加固工程。在智能碳板内植入的光纤光栅传感器1减少了外贴传感器的复杂工序，消除了传感器安装误差，碳板的保护保证了传感器的存活率，满足了工程监测需求，可广泛用于建筑与桥梁结构工程安全状态监测中。
如图4和5所示，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，光纤光栅传感器1为平行布设的两根写入了一个或多个光纤光栅的单模光纤11。
采用上述优选实施例的方案，测试效果更好。
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，包覆部2由碳纤维增强塑料制成。
采用上述优选实施例的方案，保护效果更好。
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，在包覆部2的外表面设有凹槽和凸起。
采用上述优选实施例的方案，可以有效保证包覆部2与加固结构体连接的紧固度。
以上仅是本发明的优选实施方式，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 (10)
1.一种纤维增强塑料智能碳板，其特征在于，包括：光纤光栅传感器、设置于所述光纤光栅传感器外侧的包覆部以及设置于所述包覆部外侧的锚固组件，所述包覆部由纤维增强塑料制成，所述光纤光栅传感器通过测试跳线与光纤光栅解调仪连接。
2.根据权利要求1所述的纤维增强塑料智能碳板，其特征在于，所述光纤光栅传感器为一根写入了一个或多个光纤光栅的单模光纤。
3.根据权利要求1所述的纤维增强塑料智能碳板，其特征在于，所述光纤光栅传感器为平行布设的多根写入了一个或多个光纤光栅的单模光纤。
4.根据权利要求1-3任一项所述的纤维增强塑料智能碳板，其特征在于，所述锚固组件包括固定端锚部件和张拉端锚部件，所述固定端锚部件套设于所述包覆部的固定端，所述张拉端锚部件套设于所述包覆部的张拉端。
5.根据权利要求4所述的纤维增强塑料智能碳板，其特征在于，在所述包覆部外侧还设有锚头保护装置，所述锚头保护装置设置于所述测试跳线与所述固定端锚部件之间，用于保护所述测试跳线。
6.根据权利要求5所述的纤维增强塑料智能碳板，其特征在于，所述固定端锚部件和所述张拉端锚部件为楔形夹片式锚头。
7.根据权利要求6所述的纤维增强塑料智能碳板，其特征在于，所述包覆部由碳纤维增强塑料制成。
8.根据权利要求7所述的纤维增强塑料智能碳板，其特征在于，在所述包覆部的外表面设有凹槽和/或凸起。
9.一种纤维增强塑料智能碳板制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求4-8任一项所述的纤维增强塑料智能碳板，具体包括以下步骤：
一、备料：先将纤维增强塑料和光纤光栅传感器预先准备好；
二、入模：将纤维增强塑料和光纤光栅传感器一起送入模具中；
三、固化：将纤维增强塑料加热牵引固化成型；
四、拉伸成型：拉挤设备对固化后的纤维增强塑料进行拉伸成型，纤维增强塑料在光纤光栅传感器外部形成包覆部；
五、制作测试跳线，在光纤光栅传感器的一端熔接测试跳线，并在测试跳线的一端安装锚头保护装置；
六、安装锚固组件，在包覆部的外侧安装锚固组件。
10.根据权利要求9所述的纤维增强塑料智能碳板制备方法，其特征在于，所述步骤六具体为：在所述包覆部的固定端安装固定端锚部件，在所述包覆部的张拉端安装张拉端锚部件。
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