CN108661683A - 大量程frp内嵌钢丝绳复合光纤智能锚杆及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大量程FRP内嵌钢丝绳复合光纤智能锚杆及其制备方法，该智能锚杆包括锚杆体和位于锚杆体一端的锚杆头，锚杆体包括若干个相互平行的钢丝绳、螺旋缠绕在关键或易损位置的钢丝绳上的光纤光栅传感器和将所有钢丝绳裹紧成一体的FRP材料包裹层。该智能锚杆提高了弹性模量及抗剪强度，能有效地监测、评估锚杆使用过程中关键或易损位置的应力状态，有效的增大了智能锚杆的监测量程，可广泛用于边坡、基坑、隧洞、地下工程，坝体及抗倾、抗浮结构等岩土锚固工程。

Description

大量程FRP内嵌钢丝绳复合光纤智能锚杆及其制备方法

技术领域

本发明属于岩土锚固工程领域，具体涉及一种大量程FRP内嵌钢丝绳复合光纤智能锚杆及其制备方法。

背景技术

钢材作为岩土锚杆的首选材料，存在易腐蚀破坏的突出问题，给岩土工程的长期安全性带来了巨大隐患。FRP(Fiber Reinforced Polymer/Plastic，纤维增强复合材料)是以连续纤维组成的复合材料，FRP具有轻质高强、低松弛、耐腐蚀和良好的抗疲劳性能等优良特性。FRP锚杆是由具有抗拉作用的连续纤维束和具有粘结作用的聚合物基体两部分组成，采用FRP制作的锚杆已被应用于边坡、基坑、隧洞、地下工程、坝体及抗倾、抗浮结构等岩土锚固工程来代替钢锚杆。

采用不同纤维材料制作的FRP锚杆，其模量除了碳纤维的模量较大(与钢材差不多)，其他的模量均较小。同时由于各种FRP都是线弹性材料，其破坏过程中没有屈服，破坏形式为脆性破坏，从而造成了在使用过程中突发破坏，没有任何预兆，降低了该材料使用的安全性，并且抗剪强度较差，在边坡加固等工程中容易发生剪切破坏。

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。专利CN201010618198.1公开了一种纤维增强塑料智能锚杆，将光纤或光纤光栅传感器与纤维增强塑料复合而得到的纤维增强塑料智能锚杆，但其光纤光栅传感器与纤维是平行分布的，不仅光纤光栅传感器未得到有效的保护，而且智能锚杆的应变与光纤光栅传感器的应变相等，量程偏小，无法满足一些特定的岩土工程环境监测需求。

发明内容

本发明的目的是提出一种大量程FRP内嵌钢丝绳复合光纤智能锚杆及其制备方法，本发明提高了弹性模量及抗剪强度，能有效地监测、评估锚杆使用过程中关键或易损位置的应力状态，有效的增大了智能锚杆的监测量程，可广泛用于边坡、基坑、隧洞、地下工程，坝体及抗倾、抗浮结构等岩土锚固工程。

本发明所采用的技术方案是：

一种大量程FRP内嵌钢丝绳复合光纤智能锚杆，包括锚杆体和位于锚杆体一端的锚杆头，锚杆体包括若干个相互平行的钢丝绳、螺旋缠绕在关键或易损位置的钢丝绳上的光纤光栅传感器和将所有钢丝绳裹紧成一体的FRP材料包裹层。

进一步地，FRP材料包裹层的纤维走向为单向。

进一步地，螺旋缠绕有光纤光栅传感器的钢丝绳表面设有防护涂层。

进一步地，螺旋缠绕有光纤光栅传感器的钢丝绳位于智能锚杆的中心，螺旋缠绕有光纤光栅传感器的钢丝绳的数量为1或2。

进一步地，FRP材料包裹层的表面带有肋。

进一步地，FRP材料包裹层的厚度不小于3mm。

进一步地，钢丝绳的体积含量为30％。

进一步地，锚杆头采用机械式夹持锚头、粘结型锚头或组合式锚头。

进一步地，FRP材料包裹层采用碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料或芳纶纤维增强塑料。

一种大量程FRP内嵌钢丝绳复合光纤智能锚杆的制备方法，包括步骤，

S1、备料：将FRP材料、螺旋缠绕有光纤光栅传感器的钢丝绳和其余钢丝绳预先准备好；

S2、入模：将FRP材料、螺旋缠绕有光纤光栅传感器的钢丝绳和其余钢丝绳一起送入模具中；

S3、固化：将FRP材料加热牵引固化成型；

S4、拉伸成型：拉挤设备对固化成型后的FRP材料进行拉伸成型，FRP材料将所有钢丝绳裹紧成一体形成FRP材料包裹层；

S5、熔接插拔式测试接头：在光纤光栅传感器的一端熔接插拔式测试接头，并在测试接头外端安装接头保护装置；

S6、安装锚固组件：在FRP材料包裹层的外侧安装锚杆头。

本发明的有益效果是：

1.在本发明中，FRP材料包裹层对钢丝绳起到防腐保护和承担荷载的作用，提高了弹性模量及抗剪强度，光纤光栅传感器可以有效地监测、评估锚杆使用过程中关键或易损位置的应力状态，为反馈指导锚杆施工及安全评价提供有效的数据支撑，关键是，光纤光栅传感器螺旋缠绕在钢丝绳上，可有效增大智能锚杆的监测量程——如图5所示，光纤光栅传感器与锚杆体轴向变形的夹角为A，锚杆体发生轴向应变ε′，光纤光栅传感器的实际变形为ε，ε与ε′的关系为：ε′＝ε^＊cosA，因为cosA＜1，因此，当光纤光栅传感器达到本身的极限应变ε′_max时，锚杆体的极限应变ε_max＝ε′_max/cosA＞ε′_max，从而达到增大智能锚杆杆体量程的效果。本发明可广泛用于边坡、基坑、隧洞、地下工程，坝体及抗倾、抗浮结构等岩土锚固工程。

2.FRP材料包裹层的纤维走向为单向，进一步加强了承担荷载的能力和防腐保护的效果。

3.防护涂层可有效避免拉挤过程中光纤光栅传感器被损坏。

4.智能锚杆的中心一般为关键或易损位置，因而设置光纤光栅传感器，螺旋缠绕有光纤光栅传感器的钢丝绳的数量根据实际需要确定，一般设置1至2个即可。

5.肋能提高FRP材料包裹层与岩土的摩擦力以及本身的强度。

6.FRP材料包裹层的厚度不小于3mm，可有效保护钢丝绳不被腐蚀且自身不开裂。

7.钢丝绳的体积含量为30％，可提高智能锚杆的弹性模量及抗剪强度。

8.锚杆头根据不同岩土结构的锚固要求选择不同的类型。

9.FRP材料根据结构的力学性能、使用环境和成本等要求选择不同的类型。

10.该采用先固化后拉伸成型的方法将钢丝绳、光纤光栅传感器和FRP材料包裹层有机地固结成一体，工艺简单，保证了整体性能，采用插拔式测试接头方便现场数据采集，易维护。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图。

图2是图1的剖视图。

图3是本发明实施例二的结构示意图。

图4是图3的剖视图。

图5是本发明能增大智能锚杆的监测量程的原理图。

图中：1-FRP材料包裹层；2-钢丝绳；3-光纤；4-光纤光栅传感器；5-锚杆头；6-测试接头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1至图4所示，在实施例一和实施例二中，大量程FRP内嵌钢丝绳复合光纤智能锚杆包括锚杆体和位于锚杆体一端的锚杆头5，锚杆体包括若干个相互平行的钢丝绳2、螺旋缠绕在关键或易损位置的钢丝绳2上的光纤光栅传感器4和将所有钢丝绳2裹紧成一体的FRP材料包裹层1。在本发明中，FRP材料包裹层1对钢丝绳2起到防腐保护和承担荷载的作用，提高了弹性模量及抗剪强度，光纤光栅传感器4可以有效地监测、评估锚杆使用过程中关键或易损位置的应力状态，为反馈指导锚杆施工及安全评价提供有效的数据支撑，关键是，光纤光栅传感器4螺旋缠绕在钢丝绳2上，可有效增大智能锚杆的监测量程——如图5所示，光纤光栅传感器4与锚杆体轴向变形的夹角为A，锚杆体发生轴向应变ε′，光纤光栅传感器4的实际变形为ε，ε与ε′的关系为：ε′＝ε^＊cosA，因为cosA＜1，因此，当光纤光栅传感器4达到本身的极限应变ε′_max时，锚杆体的极限应变ε_max＝ε′_max/CosA＞ε′_max，从而达到增大智能锚杆杆体量程的效果。本发明可广泛用于边坡、基坑、隧洞、地下工程，坝体及抗倾、抗浮结构等岩土锚固工程。

在实施例一和实施例二中，FRP材料包裹层1的纤维走向为单向，进一步加强了承担荷载的能力和防腐保护的效果。

在实施例一和实施例二中，螺旋缠绕有光纤光栅传感器4的钢丝绳2表面设有防护涂层，可有效避免拉挤过程中光纤光栅传感器4被损坏。

如图1至图4所示，在实施例一和实施例二中，螺旋缠绕有光纤光栅传感器4的钢丝绳2位于智能锚杆的中心，智能锚杆的中心一般为关键或易损位置，因而设置光纤光栅传感器4。螺旋缠绕有光纤光栅传感器4的钢丝绳2的数量根据实际需要确定，一般设置1至2个即可，如图1和图2所示，在实施例一中，螺旋缠绕有光纤光栅传感器4的钢丝绳2的数量为1，如图3和图4所示，在实施例二中，螺旋缠绕有光纤光栅传感器4的钢丝绳2的数量为2。

在实施例一和实施例二中，FRP材料包裹层1的表面带有肋，肋能提高FRP材料包裹层1与岩土的摩擦力以及本身的强度。

在实施例一和实施例二中，FRP材料包裹层1的厚度不小于3mm，可有效保护钢丝绳2不被腐蚀且自身不开裂。

在实施例一和实施例二中，钢丝绳2的体积含量为30％，可提高智能锚杆的弹性模量及抗剪强度。

在实施例一和实施例二中，锚杆头根据不同岩土结构的锚固要求选择不同的类型，因此，锚杆头可以采用机械式夹持锚头、粘结型锚头、组合式锚头等。

在实施例一和实施例二中，FRP材料根据结构的力学性能、使用环境和成本等要求选择不同的类型，因此，FRP材料包裹层1可以采用碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料、芳纶纤维增强塑料等。

上述大量程FRP内嵌钢丝绳复合光纤智能锚杆的制备方法，包括步骤，

S1、备料：将FRP材料、螺旋缠绕有光纤光栅传感器4的钢丝绳2和其余钢丝绳2预先准备好；

S2、入模：将FRP材料、螺旋缠绕有光纤光栅传感器4的钢丝绳2和其余钢丝绳2一起送入模具中；

S3、固化：将FRP材料加热牵引固化成型；

S4、拉伸成型：拉挤设备对固化成型后的FRP材料进行拉伸成型，FRP材料将所有钢丝绳2裹紧成一体形成FRP材料包裹层1；

S5、熔接插拔式测试接头：在光纤光栅传感器4的一端熔接插拔式测试接头6，并在测试接头6外端安装接头保护装置；

S6、安装锚固组件：在FRP材料包裹层1的外侧安装锚杆头5。

该方法采用先固化后拉伸成型的方法将钢丝绳2、光纤光栅传感器4和FRP材料包裹层1有机地固结成一体，工艺简单，保证了整体性能，采用插拔式测试接头6方便现场数据采集，易维护。

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 (10)

1.一种大量程FRP内嵌钢丝绳复合光纤智能锚杆，其特征在于：包括锚杆体和位于锚杆体一端的锚杆头，锚杆体包括若干个相互平行的钢丝绳、螺旋缠绕在关键或易损位置的钢丝绳上的光纤光栅传感器和将所有钢丝绳裹紧成一体的FRP材料包裹层。

2.如权利要求1所述的大量程FRP内嵌钢丝绳复合光纤智能锚杆，其特征在于：FRP材料包裹层的纤维走向为单向。

3.如权利要求1所述的大量程FRP内嵌钢丝绳复合光纤智能锚杆，其特征在于：螺旋缠绕有光纤光栅传感器的钢丝绳表面设有防护涂层。

4.如权利要求1所述的大量程FRP内嵌钢丝绳复合光纤智能锚杆，其特征在于：螺旋缠绕有光纤光栅传感器的钢丝绳位于智能锚杆的中心，螺旋缠绕有光纤光栅传感器的钢丝绳的数量为1或2。

5.如权利要求1所述的大量程FRP内嵌钢丝绳复合光纤智能锚杆，其特征在于：FRP材料包裹层的表面带有肋。

6.如权利要求1至5任一所述的大量程FRP内嵌钢丝绳复合光纤智能锚杆，其特征在于：FRP材料包裹层的厚度不小于3mm。

7.如权利要求1至5任一所述的大量程FRP内嵌钢丝绳复合光纤智能锚杆，其特征在于：钢丝绳的体积含量为30％。

8.如权利要求1至5任一所述的大量程FRP内嵌钢丝绳复合光纤智能锚杆，其特征在于：锚杆头采用机械式夹持锚头、粘结型锚头或组合式锚头。

9.如权利要求1至5任一所述的大量程FRP内嵌钢丝绳复合光纤智能锚杆，其特征在于：FRP材料包裹层采用碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料或芳纶纤维增强塑料。

10.一种如权利要求1至9任一所述的大量程FRP内嵌钢丝绳复合光纤智能锚杆的制备方法，其特征在于：包括步骤，

S1、备料：将FRP材料、螺旋缠绕有光纤光栅传感器的钢丝绳和其余钢丝绳预先准备好；

S2、入模：将FRP材料、螺旋缠绕有光纤光栅传感器的钢丝绳和其余钢丝绳一起送入模具中；

S3、固化：将FRP材料加热牵引固化成型；

S4、拉伸成型：拉挤设备对固化成型后的FRP材料进行拉伸成型，FRP材料将所有钢丝绳裹紧成一体形成FRP材料包裹层；

S5、熔接插拔式测试接头：在光纤光栅传感器的一端熔接插拔式测试接头，并在测试接头外端安装接头保护装置；

S6、安装锚固组件：在FRP材料包裹层的外侧安装锚杆头。