CN109610735A - 一种基于长标距光纤光栅的分布式自监测预应力复合筋 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种基于长标距光纤光栅的分布式自监测预应力复合筋，包括核心复合筋，核心复合筋外套装有多段光纤保护管，各段光纤保护管之间设置有锚固区树脂涂层；在核心复合筋上缠绕有长标距光纤光栅，长标距光线光栅位于核心复合筋和光纤保护管之间；在光纤保护管外设置有复合筋外壳。本发明可以实现将自监测复合筋应用在普通混凝土结构和预应力混凝土结构中，实现对筋材和结构的高精度监测，增强结构长期耐久性与安全性，提升结构正常使用状态下的可靠度，降低结构全寿命维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及智能结构材料及传感监测技术领域，具体是一种基于长标距光纤光栅的分布式自监测预应力复合筋。
背景技术
连续纤维增强聚合物复合材料(Fiber Reinforced Plastic,FRP)具有强度高、重度小、耐腐蚀等优点，目前逐步应用于钢筋混凝土结构中来替换传统钢筋，来应用于例如海洋环境等恶劣复杂环境中。目前的研究主要集中在碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和玄武岩纤维上，但除碳纤维外，其余纤维材料的弹性模量都较低难以直接替换钢材，在结构中使用难以发挥材料的特性。故为了克服这一缺点，在混凝土结构中复合材料通常以预应力筋的形式出现，来保证结构刚度。
此外，FRP材料虽然有诸多优点，但它仍是一种各向异性材料，且为完全线弹性材料，在使用中存在脆性破坏等问题，为了安全广泛应用这种材料，避免潜在的危险，需要对FRP筋进行全寿命周期的健康监测。分布式长标距光纤光栅传感器因其分布性、体积小、精度高、稳定性、安装简便、监测频率高等优点，近年来广泛应用于结构健康监测中。将分布式长标距光纤光栅传感器嵌入复合筋、索中形成一种智能结构材料，即自监测复合筋可以实现对FRP筋进行有效地实时监测，评估材料性能，同时还可以用来监测整个结构的性能变化。
但一般分布式长标距光纤光栅传感器的极限应变只有8000με，而复合筋一般施加预应力后预张拉应变也达到8000με左右，这样只能复合筋就无法在结构施加预应力使用，否则传感器会提前破坏，从而限制了使用场景，并无法发挥复合材料的性能优势。
发明内容
发明目的：为解决上述技术问题，本发明提供一种基于长标距光纤光栅的分布式自监测预应力复合筋，该发明可以实现将自监测复合筋应用在普通混凝土结构和预应力混凝土结构中，实现对筋材和结构的高精度监测。
技术方案：本发明的一种基于长标距光纤光栅的分布式自监测预应力复合筋，包括核心复合筋，核心复合筋外套装有多段光纤保护管，各段光纤保护管之间设置有锚固区树脂涂层；在核心复合筋上缠绕有长标距光纤光栅，长标距光线光栅位于核心复合筋和光纤保护管之间；在光纤保护管外设置有复合筋外壳。
其中，核心复合筋的直径不小于20mm。
其中，长标距光纤光栅为单个光纤光栅，或多个光纤光栅串联在一起组成，长标距光纤光栅的长度等于设计的标距长度。
其中，长标距光纤光栅均匀地螺旋缠绕在核心复合筋上。
其中，光纤保护管为PVC圆管，直径不小于核心复合筋直径与两倍的光纤光栅直径之和，长标距光纤光栅为多个光纤光栅串联组成时，光纤保护管数量等于串联的光纤光栅数量，各根光纤保护管分别覆盖一根光纤光栅。
其中，光纤保护管之间锚固区树脂涂层的长度不小于30mm。
其中，锚固区树脂涂层为纤维浸润剂，厚度与光纤保护管的直径一致。
有益效果：本发明具有以下有益效果：
本发明可以实现将自监测复合筋应用在普通混凝土结构和预应力混凝土结构中，实现对筋材和结构的高精度监测，增强结构长期耐久性与安全性，提升结构正常使用状态下的可靠度，降低结构全寿命维护成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的A-A截面示意图；
图3是图1的B-B截面示意图；
图4是本发明的成品示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的一种基于长标距光纤光栅的分布式自监测预应力复合筋，包括以下部分：核心复合筋1、长标距光纤光栅2、锚固区树脂涂层3、光纤保护管4、复合筋外壳5。核心复合筋1外套装有多段光纤保护管4，各段光纤保护管4之间设置有锚固区树脂涂层3；在核心复合筋1上缠绕有长标距光纤光栅2，长标距光线光栅2位于核心复合筋1和光纤保护管4之间；在光纤保护管4外设置有复合筋外壳5，核心复合筋的直径不小于20mm，避免缠绕在核心复合筋上的长标距光纤光栅中光损过大。长标距光纤光栅2均匀地螺旋缠绕在核心复合筋1上。光纤保护管为PVC圆管，直径不小于核心复合筋直径与两倍的光纤光栅直径之和，长标距光纤光栅2为多个光纤光栅串联组成时，光纤保护管4数量等于串联的光纤光栅数量，各根光纤保护管4分别覆盖一根光纤光栅。光纤保护管4长度由设计标距长度确定，光纤保护管4之间锚固区树脂涂层3的长度不小于30mm。锚固区树脂涂层为纤维浸润剂，锚固区树脂涂层长度不小于30mm，厚度与光纤保护管的直径一致。长标距光纤光栅2为单个光纤光栅，或多个光纤光栅串联在一起组成，光纤光栅之间距离等于设计的标距长度。
核心复合筋1作为核心，提供部分强度并作为长标距光纤光栅2的缠绕轴，其可以为碳纤维复合筋、玻璃纤维复合筋、芳纶纤维复合筋、玄武岩纤维复合筋等纤维复合筋；其截面尺寸由分布式自监测预应力复合筋设计张拉的预应力度及设计强度决定，但核心复合筋直径不应小于20mm，避免缠绕在核心复合筋1上的长标距光纤光栅2中光损过大。
长标距光纤光栅2作为传感组件可以为单个光纤光栅，或多个光纤光栅串联在一起，长标距光纤光栅2的长度等于设计的标距长度，用于监测筋材变形，缠绕在核心复合筋1上，缠绕间距由分布式自监测预应力复合筋设计张拉的预应力度及复合筋材料弹性模量确定，张拉预应力度越大，弹性模量越低，缠绕间距应设计的越小。
锚固区树脂涂层3用于连接核心复合筋1、长标距光纤光栅2与复合筋外壳5，使三者变形同步，涂层由纤维浸润剂涂成，涂层长度应不小于30mm，同时厚度应与光纤保护管4的直径一致，同时充分粘结核心复合筋1和长标距光纤光栅2，如图3。
光纤保护管4用于保护长标距光纤光栅2，同时使中心光栅标距区变形自由，与核心复合筋1、复合筋外壳5独立，可以为PVC圆管，直径不应小于核心复合筋直径d1加2倍光纤光栅直径d2，光纤保护管4数量等同于串联的光纤光栅数量，将每根光纤保护管4套在缠绕着长标距光纤光栅的核心复合筋上，覆盖住每根中心光纤光栅段，保障管内光纤变形自由，光纤保护管之间空开间隔用于涂敷锚固区树脂涂层，同时光纤保护管4长度由设计标距长度确定，并保障光纤保护管4之间锚固区树脂涂层的长度不小于30mm。
复合筋外壳5提供整个自监测预应力复合筋外保护，保护内部长标距光纤光栅2，并提供自分布式监测预应力复合筋在混凝土中的锚固性能。其材质应与核心复合筋1纤维材质一致，保证内外弹性模量相同；复合筋外壳5内径等于光纤保护管4外径，复合筋外壳5厚度由分布式自监测预应力复合筋强度和核心复合筋尺寸确定，如图2。同时复合筋外壳5外形可以为光圆或者带肋，具体外形特征和相应肋高、肋距由分布式自监测预应力复合筋设计所需的锚固长度决定。最后复合筋外壳5和光纤保护管4、锚固区树脂涂层3由树脂粘结在一起，形成分布式自监测预应力复合筋成品，如图4。两端的光纤从锚固区树脂涂层3中引出，与其它光纤熔接或者连接跳线引入光纤光栅解调仪。
当分布式自监测预应力复合筋，标距Lg，锚固区树脂涂层3长度为La，核心复合筋1直径d1，长标距光纤光栅2直径d2，长标距光纤光栅2缠绕间距为s，则当进行预应力张拉后，复合筋张拉应变为ε1，则长标距光纤光栅2中应变缩小为：
保证在预应力张拉后，长标距光纤光栅2不会受损能依旧正常工作，同时由上述公式转换，依旧可以得到分布式自监测预应力复合筋的真实应变。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于长标距光纤光栅的分布式自监测预应力复合筋，其特征在于：包括核心复合筋，核心复合筋外套装有多段光纤保护管，各段光纤保护管之间设置有锚固区树脂涂层；在核心复合筋上缠绕有长标距光纤光栅，长标距光线光栅位于核心复合筋和光纤保护管之间；在光纤保护管外设置有复合筋外壳。
2.根据权利要求1所述的一种基于长标距光纤光栅的分布式自监测预应力复合筋，其特征在于：核心复合筋的直径不小于20mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于长标距光纤光栅的分布式自监测预应力复合筋，其特征在于：长标距光纤光栅为单个光纤光栅，或多个光纤光栅串联在一起组成，长标距光纤光栅的长度等于设计的标距长度。
4.根据权利要求1所述的一种基于长标距光纤光栅的分布式自监测预应力复合筋，其特征在于：长标距光纤光栅均匀地螺旋缠绕在核心复合筋上。
5.根据权利要求1所述的一种基于长标距光纤光栅的分布式自监测预应力复合筋，其特征在于：光纤保护管为PVC圆管，直径不小于核心复合筋直径与两倍的光纤光栅直径之和，长标距光纤光栅为多个光纤光栅串联组成时，光纤保护管数量等于串联的光纤光栅数量，各根光纤保护管分别覆盖一根光纤光栅。
6.根据权利要求1所述的一种基于长标距光纤光栅的分布式自监测预应力复合筋，其特征在于：光纤保护管之间锚固区树脂涂层的长度不小于30mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于长标距光纤光栅的分布式自监测预应力复合筋，其特征在于：锚固区树脂涂层为纤维浸润剂，厚度与光纤保护管的直径一致。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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