CN107085035A - 基于天线传感器的frp加固钢结构胶层退化量化方法 - Google Patents
基于天线传感器的frp加固钢结构胶层退化量化方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及FRP加固钢结构领域，公开了一种基于天线传感器的FRP加固钢结构胶层退化量化方法，包括以下步骤：布置第一矩形微带贴片天线传感器、将内部嵌有第二矩形微带贴片天线传感器的FRP贴在钢结构上、计算两个天线传感器的初始应变之比、根据应变传递方程得到胶层未退化时在厚度方向中点的应变、计算两个天线传感器的检测应变之比、计算胶层退化时在厚度方向中点的应变、根据理想胶层弹塑体的本构关系得到损伤变量的函数关系、将胶层退化时在厚度方向中点的应变代入损伤变量函数计算损伤变量。本发明需要的装置简单、施工方便、成本低、实用性强，可直接在FRP加固钢结构的实际工程中进行应用。
Description
技术领域
本发明涉及FRP加固钢结构领域，具体涉及一种基于天线传感器的FRP加固钢结构胶层退化量化方法。
背景技术
随着经济的发展，钢结构在国民经济中占有越来越重要的地位，各工业中大量使用钢结构，在设计、制造、施工和使用过程中，钢结构不可避免的存在各种缺陷和损伤，在载荷和环境等因素的作用下，钢结构材料的微细结构发生变化，使得材料宏观力学性能劣化，导致钢结构出现裂纹和破坏，造成工程事故的发生。
为了解决上述问题，现在一般采用FRP(纤维增强复合材料)加固钢结构技术进行结构修复，新型、高效且实用，与传统修复钢结构的方法相比，FRP加固钢结构具有明显的优势：FRP材料比强度和比刚度高，修复后基本不增加原结构的重量，且具有良好的抗疲劳性能和耐腐蚀性能，不会产生新的应力集中，施工简便。
FRP加固钢结构技术成功的关键是确保FRP与钢结构之间的胶层粘接完好，使FRP和钢结构成为一个整体共同受力，但胶层在实际应用过程中，由于受热、水、光、氧及其它腐蚀介质的作用，会发生性能退化，使其强度下降，影响了FRP加固钢结构的效果，而现有研究主要集中在解决胶层在恶劣环境下的耐久性能，未见涉及FRP加固钢结构胶层退化的量化方法。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种基于天线传感器的FRP加固钢结构胶层退化量化方法，更方便的评估FRP加固钢结构胶层退化的程度，并具体量化。
为实现上述目的，本发明所设计的基于天线传感器的FRP加固钢结构胶层退化量化方法，包括以下步骤：
A)在钢结构上表面通过基质粘贴第一矩形微带贴片天线传感器，在FRP内部嵌入第二矩形微带贴片天线传感器，将所述FRP通过胶层粘贴在粘贴有所述第一矩形微带贴片天线传感器的所述钢结构上表面；
B)所述胶层固化后，分别测量所述第一矩形微带贴片天线传感器的谐振频率f1和所述第二矩形微带贴片天线传感器的谐振频率f2，计算所述第一矩形微带贴片天线传感器和所述第二矩形微带贴片天线传感器的初始应变之比，即所述第一矩形微带贴片天线传感器和所述第二矩形微带贴片天线传感器的谐振频率之比，记为m＝f1/f2；
C)根据三层结构应变传递方程，计算所述步骤B)中所述胶层未退化时在厚度方向中点的应变εz；
D)所述胶层随时间T推移力学性能退化，分别测量所述第一矩形微带贴片天线传感器的谐振频率f1T和所述第二矩形微带贴片天线传感器的谐振频率f2T，计算所述第一矩形微带贴片天线传感器和所述第二矩形微带贴片天线传感器的检测应变之比，即此时测量的所述第一矩形微带贴片天线传感器和所述第二矩形微带贴片天线传感器的谐振频率之比，记为n＝f1T/f2T；
E)根据所述步骤B)中取得的所述第一矩形微带贴片天线传感器和所述第二矩形微带贴片天线传感器的初始应变之比m、所述步骤D)中取得的所述第一矩形微带贴片天线传感器和所述第二矩形微带贴片天线传感器的检测应变之比n及所述步骤C)中取得的所述胶层未退化时在厚度方向中点的应变εz，计算随时间T推移所述胶层在厚度方向中点的应变
F)根据所述胶层材料弹塑性特点，取得理想胶层弹塑体的梯形本构关系，得到随时间T推移的胶层损伤变量函数方程：
式中，d为损伤变量，ε0和ε1均为所述胶层梯形本构关系中由所述胶层材料失效准则确定的拐点，εf根据损伤扩展准则确定，εT为随时间T推移所述胶层在厚度方向中点的应变；
G)将所述步骤E)中随时间T推移所述胶层在厚度方向中点的应变εT代入所述步骤F)中所述胶层损伤变量函数方程中，取得所述胶层的损伤变量，从而对所述胶层退化的程度进行评估。
优选地，所述步骤C)包括以下步骤：
C1)基于所述钢结构、所述基质及所述第一矩形微带贴片天线传感器从下至上建立“钢结构-基质-第一矩形微带贴片天线传感器”三层结构，根据所述三层结构应变传递方程，取得所述第一矩形微带贴片天线传感器的应变ε贴：
式中，χ为所述“钢结构-基质-第一矩形微带贴片天线传感器”三层结构截面图中厚度方向中点微元体的坐标，ε钢为所述钢结构上表面的应变，L1为所述第一矩形微带贴片天线传感器中心点到边缘的长度，k1为所述“钢结构-基质-第一矩形微带贴片天线传感器”三层结构应变传递的滞后系数：
式中，
式中，H1为所述第一矩形微带贴片天线传感器的厚度，H2为所述基质的厚度，H3为所述钢结构的厚度，E1为所述第一矩形微带贴片天线传感器的弹性模量，E2为所述基质的弹性模量，E3为所述钢结构的弹性模量，G2为所述基质的剪切模量，G3为所述钢结构的剪切模量；
C2)将所述胶层平均分为上胶层和下胶层，基于所述第一矩形微带贴片天线传感器、所述下胶层及所述上胶层从下至上建立“第一矩形微带贴片天线传感器-下胶层-上胶层”三层结构，根据所述三层结构应变传递方程，取得所述胶层(2)未退化时在厚度方向中点的应变εz：
式中，L2为所述上胶层中心点到边缘的长度，k2为所述“第一矩形微带贴片天线传感器-下胶层-上胶层”三层结构应变传递的滞后系数：
式中，H4为所述上胶层和所述下胶层的厚度，E4为所述上胶层和所述下胶层的弹性模量，G1为所述第一矩形微带贴片天线传感器的剪切模量；
C3)根据所述步骤C1)中取得的所述第一矩形微带贴片天线传感器的应变ε贴和所述步骤C2)中取得的所述胶层(2)未退化时在厚度方向中点的应变εz的方程式，求得所述胶层(2)未退化时在厚度方向中点的应变εz：
优选地，所述步骤A)中，所述FRP为FRP布或FRP板中的一种。
优选地，所述步骤A)中，所述胶层为环氧树脂胶层。
优选地，所述步骤F)中，所述胶层损伤起始判断准则采用二次强度失效准则。
本发明基于天线传感器的FRP加固钢结构胶层退化量化方法的工作原理为：矩形微带天线传感器的谐振频率与自身尺寸有关，当矩形微带天线传感器变形时，其谐振频率也会发生偏移，因此利用矩形微带贴片天线传感器的谐振频率偏移来表征应变。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明根据胶层理想弹塑体的本构关系得到损伤变量，通过建立两个三层结构得到所述胶层未退化时在厚度方向中点的应变，根据两个矩形微带天线传感器在不同时期测得的应变之比推算出所述胶层力学性能退化时的应变，将所述胶层退化时的应变代入所述胶层损伤变量的函数关系即可反映所述胶层退化的程度，为评估FRP加固钢结构胶层退化的量化提供了一种新的方法；
2、本发明将第二矩形微带贴片天线传感器嵌入在所述FRP内部，实现了FRP的自感知智能特性，利用第二矩形微带贴片天线传感器的谐振频率获取应变信息，实现对结构的安全监视与诊断；
3、本发明装置简单、施工方便、成本低且实用性强，可直接在FRP加固钢结构的实际工程中进行应用。
附图说明
图1为本发明基于天线传感器的FRP加固钢结构胶层退化量化方法的流程示意图；
图2为本发明中理想胶层弹塑体本构关系示意图；
图3为本发明中第一矩形微带贴片天线传感器及第二矩形微带贴片天线传感器的安装位置示意图；
图4为本发明中第一矩形微带贴片天线传感器的安装示意图。
图中各部件标号如下：
钢结构1、胶层2、FRP3、第一矩形微带贴片天线传感器4、基质5。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明基于天线传感器的FRP加固钢结构胶层退化量化方法，包括以下步骤：
A)在钢结构1上表面通过基质5粘贴第一矩形微带贴片天线传感器4，在FRP3内部嵌入第二矩形微带贴片天线传感器，将FRP3通过胶层2粘贴在粘贴有第一矩形微带贴片天线传感器4的钢结构1上表面，对钢结构1进行加固；
B)胶层2固化后，测量第一矩形微带贴片天线传感器4的谐振频率f1，测量第二矩形微带贴片天线传感器的谐振频率f2，计算第一矩形微带贴片天线传感器4和第二矩形微带贴片天线传感器的初始应变之比，即第一矩形微带贴片天线传感器4和第二矩形微带贴片天线传感器的谐振频率之比，记为m＝f1/f2；
C)根据三层结构应变传递方程，计算步骤B)中胶层2未退化时在厚度方向中点的应变εz，具体包含如下步骤：
C1)基于钢结构1、基质5及第一矩形微带贴片天线传感器4从下至上建立“钢结构-基质-第一矩形微带贴片天线传感器”三层结构，根据三层结构应变传递方程，取得第一矩形微带贴片天线传感器4的应变ε贴：
式中，χ为“钢结构-基质-第一矩形微带贴片天线传感器”三层结构截面图中厚度方向中点微元体的坐标，ε钢为钢结构1上表面的应变，L1为第一矩形微带贴片天线传感器4中心点到边缘的长度，k1为“钢结构-基质-第一矩形微带贴片天线传感器”三层结构应变传递的滞后系数：
式中，
式中，H1为第一矩形微带贴片天线传感器4的厚度，H2为基质5的厚度，H3为钢结构1的厚度，E1为第一矩形微带贴片天线传感器4的弹性模量，E2为基质5的弹性模量，E3为钢结构1的弹性模量，G2为基质5的剪切模量，G3为钢结构1的剪切模量；
C2)将胶层2平均分为上胶层和下胶层，基于第一矩形微带贴片天线传感器4、下胶层及上胶层从下至上建立“第一矩形微带贴片天线传感器-下胶层-上胶层”三层结构，根据三层结构应变传递方程，取得胶层2未退化时在厚度方向中点的应变εz：
式中，L2为上胶层中心点到边缘的长度，k2为“第一矩形微带贴片天线传感器-下胶层-上胶层”新三层结构应变传递的滞后系数：
式中，H4为上胶层和下胶层的厚度，E4为上胶层和下胶层的弹性模量，G1为第一矩形微带贴片天线传感器4的剪切模量；
C3)根据步骤C1)中取得的第一矩形微带贴片天线传感器4的应变ε贴和步骤C2)中取得的胶层2未退化时在厚度方向中点的应变εz的方程式，求得胶层2未退化时在厚度方向中点的应变εz：
D)胶层2随时间T推移力学性能退化，测量第一矩形微带贴片天线传感器4的谐振频率f1T，测量述第二矩形微带贴片天线传感器的谐振频率f2T，计算第一矩形微带贴片天线传感器4和第二矩形微带贴片天线传感器的检测应变之比，即此时测量的第一矩形微带贴片天线传感器4和第二矩形微带贴片天线传感器的谐振频率之比，记为n＝f1T/f2T；
E)根据步骤B)中取得的第一矩形微带贴片天线传感器4和第二矩形微带贴片天线传感器的初始应变之比m、步骤D)中取得的第一矩形微带贴片天线传感器4和第二矩形微带贴片天线传感器的检测应变之比n及步骤C)中取得的胶层2未退化时在厚度方向中点的应变εz，计算随时间T推移胶层2在厚度方向中点的应变
F)根据胶层2材料弹塑性特点，取得理想胶层弹塑体的梯形本构关系，得到随时间T推移的胶层损伤变量函数方程：
式中，d为损伤变量，ε0和ε1均为理想胶层弹塑体梯形本构关系中由胶层2材料失效准则确定的拐点，胶层2损伤起始判断准则采用二次强度失效准则，εf根据损伤扩展准则确定，εT为随时间T推移胶层2在厚度方向中点的应变；
G)将步骤E)中随时间T推移胶层2在厚度方向中点的应变εT代入步骤F)中的胶层损伤变量函数方程中，取得胶层2的损伤变量，从而对胶层2退化的程度进行评估。
本实施例中，取时间点t，在步骤D)中，测得时间点t，第一矩形微带贴片天线传感器4的谐振频率f1t和第二矩形微带贴片天线传感器的谐振频率f2t，计算第一矩形微带贴片天线传感器4和第二矩形微带贴片天线传感器的检测应变之比，即此时测量的第一矩形微带贴片天线传感器4和第二矩形微带贴片天线传感器的谐振频率之比，记为nt＝f1t/f2t；在步骤E)中，计算时间点t胶层2在厚度方向中点的应变将εt代入步骤F中胶层损伤变量函数方程中的εT，取得胶层2的损伤变量，从而对胶层2退化的程度进行评估。
另外，本实施例中，FRP3为FRP布，胶层2为环氧树脂胶层。
本发明根据胶层理想弹塑体本构关系得到损伤变量，通过建立两个三层结构得到胶层2未退化时在厚度方向中点的应变，根据两个矩形微带天线传感器在不同时期的应变之比推算出胶层2力学性能退化时的应变，将胶层2退化时的应变代入胶层损伤变量函数关系即可反映胶层2退化的程度，为评估FRP加固钢结构胶层退化的量化提供了一种新的方法，且本发明装置简单、施工方便、成本低、实用性强，可直接在FRP加固钢结构的实际工程中进行应用。
Claims (5)
1.一种基于天线传感器的FRP加固钢结构胶层退化量化方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)在钢结构(1)上表面通过基质(5)粘贴第一矩形微带贴片天线传感器(4)，在FRP(3)内部嵌入第二矩形微带贴片天线传感器，将所述FRP(3)通过胶层(2)粘贴在粘贴有所述第一矩形微带贴片天线传感器(4)的所述钢结构(1)上表面；
B)所述胶层(2)固化后，分别测量所述第一矩形微带贴片天线传感器(4)的谐振频率f1和所述第二矩形微带贴片天线传感器的谐振频率f2，计算所述第一矩形微带贴片天线传感器(4)和所述第二矩形微带贴片天线传感器的初始应变之比，即所述第一矩形微带贴片天线传感器(4)和所述第二矩形微带贴片天线传感器的谐振频率之比，记为m＝f1/f2；
C)根据三层结构应变传递方程，计算所述步骤B)中所述胶层(2)未退化时在厚度方向中点的应变εz；
D)所述胶层(2)随时间T推移力学性能退化，分别测量所述第一矩形微带贴片天线传感器(4)的谐振频率f1T和所述第二矩形微带贴片天线传感器的谐振频率f2T，计算所述第一矩形微带贴片天线传感器(4)和所述第二矩形微带贴片天线传感器的检测应变之比，即此时测量的所述第一矩形微带贴片天线传感器(4)和所述第二矩形微带贴片天线传感器的谐振频率之比，记为n＝f1T/f2T；
E)根据所述步骤B)中取得的所述第一矩形微带贴片天线传感器(4)和所述第二矩形微带贴片天线传感器的初始应变之比m、所述步骤D)中取得的所述第一矩形微带贴片天线传感器(4)和所述第二矩形微带贴片天线传感器的检测应变之比n及所述步骤C)中取得的所述胶层(2)未退化时在厚度方向中点的应变εz，计算随时间T推移所述胶层(2)在厚度方向中点的应变
F)根据所述胶层(2)材料弹塑性特点，取得理想胶层弹塑体梯形本构关系，得到随时间T推移的胶层损伤变量函数方程：
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式中，d为损伤变量，ε0和ε1均为所述理想胶层弹塑体梯形本构关系中由所述胶层(2)材料失效准则确定的拐点，εf根据损伤扩展准则确定，εT为随时间T推移所述胶层(2)在厚度方向中点的应变；
G)将所述步骤E)中随时间T推移所述胶层(2)在厚度方向中点的应变εT代入所述步骤F)中所述胶层损伤变量函数方程中，取得所述胶层(2)的损伤变量，从而对所述胶层(2)退化的程度进行评估。
2.根据权利要求1所述基于天线传感器的FRP加固钢结构胶层退化量化方法，其特征在于：所述步骤C)包括以下步骤：
C1)基于所述钢结构(1)、所述基质(5)及所述第一矩形微带贴片天线传感器(4)从下至上建立“钢结构-基质-第一矩形微带贴片天线传感器”三层结构，根据所述三层结构应变传递方程，取得所述第一矩形微带贴片天线传感器(4)的应变ε贴：
式中，χ为所述“钢结构-基质-第一矩形微带贴片天线传感器”三层结构截面图中厚度方向中点微元体的坐标，ε钢为所述钢结构(1)上表面的应变，L1为所述第一矩形微带贴片天线传感器(4)中心点到边缘的长度，k1为所述“钢结构-基质-第一矩形微带贴片天线传感器”三层结构应变传递的滞后系数：
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式中，H1为所述第一矩形微带贴片天线传感器(4)的厚度，H2为所述基质(5)的厚度，H3为所述钢结构(1)的厚度，E1为所述第一矩形微带贴片天线传感器(4)的弹性模量，E2为所述基质(5)的弹性模量，E3为所述钢结构(1)的弹性模量，G2为所述基质(5)的剪切模量，G3为所述钢结构(1)的剪切模量；
C2)将所述胶层(2)平均分为上胶层和下胶层，基于所述第一矩形微带贴片天线传感器(4)、所述下胶层及所述上胶层从下至上建立“第一矩形微带贴片天线传感器-下胶层-上胶层”三层结构，根据所述三层结构应变传递方程，取得所述胶层(2)未退化时在厚度方向中点的应变εz：
式中，L2为所述上胶层中心点到边缘的长度，k2为所述“第一矩形微带贴片天线传感器-下胶层-上胶层”三层结构应变传递的滞后系数：
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式中，H4为所述上胶层和所述下胶层的厚度，E4为所述上胶层和所述下胶层的弹性模量，G1为所述第一矩形微带贴片天线传感器(4)的剪切模量；
C3)根据所述步骤C1)中取得的所述第一矩形微带贴片天线传感器(4)的应变ε贴和所述步骤C2)中取得的所述胶层(2)未退化时在厚度方向中点的应变εz的方程式，求得所述胶层(2)未退化时在厚度方向中点的应变εz：
3.根据权利要求1所述基于天线传感器的FRP加固钢结构胶层退化量化方法，其特征在于：所述步骤A中，所述FRP(3)为FRP布或FRP板中的一种。
4.根据权利要求1所述基于天线传感器的FRP加固钢结构胶层退化量化方法，其特征在于：所述步骤A中，所述胶层(2)为环氧树脂胶层。
5.根据权利要求1所述基于天线传感器的FRP加固钢结构胶层退化量化方法，其特征在于：所述步骤F中，所述胶层(2)损伤起始判断准则采用二次强度失效准则。
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| CN201710313908.1A CN107085035A (zh) | 2017-05-05 | 2017-05-05 | 基于天线传感器的frp加固钢结构胶层退化量化方法 |
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