CN111006798A - 采用压电薄膜测量frp约束混凝土柱主动和被动套箍力的试验方法 - Google Patents
采用压电薄膜测量frp约束混凝土柱主动和被动套箍力的试验方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种采用压电薄膜测量FRP约束混凝土柱主动和被动套箍力的试验方法。本发明将厚度仅为28μm的压电薄膜粘贴在FRP约束混凝土柱的核心混凝土侧壁，在离贴面位置2d～10d从FRP纤维丝间隙引出与压电薄膜连接的导线以输出压电信号，d为开孔直径，以避免开孔位置的应力集中造成测量位置的套箍力测量不准确。利用压电薄膜对动态应力的高度敏感性，通过薄膜上下电极之间电信号的变化来量测FRP与混凝土之间的相互作用力。本发明装置不会破坏FRP与混凝土界面特性，且膜薄易放置，测试装置简单，测量操作易行，量测结果直观，灵敏度准确度高，可实现受力全过程中套箍约束力的实测，实现在施工或服役过程中对套箍约束力实时检测，可对结构的安全健康实现实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及压电材料技术领域，特别涉及一种采用压电薄膜测量FRP约束混凝土柱主动和被动套箍力的试验方法。
背景技术
纤维增强复合材料(FRP)约束混凝土柱是一种在普通混凝土柱外侧包裹FRP所形成的新型组合柱，由于内部混凝土在外部FRP的约束作用下处于三向受力状态，从而使FRP约束混凝土柱具有很高的承载能力和较好轴向延性，同时外部的FRP可保护内部的混凝土使FRP约束混凝土柱具有较好的耐久性，因此FRP约束混凝土柱开始逐渐应用于工程修复加固及新建结构中。FRP约束混凝土可分为被动约束和主动约束，被动约束是由被约束混凝土的膨胀引起的，主动约束是在稍大于被约束柱的FRP壳内注入膨胀砂浆或压力灌注环氧树脂实现的。
在FRP约束混凝土的结构设计中，需要计算FRP约束所带来的混凝土强度的提高。虽然关于钢管约束混凝土的性能已有大量的研究，但是近来的研究表明，针对钢管约束混凝土的轴压强度模型不能直接用于FRP约束混凝土，其计算结果对于FRP约束混凝土来说是偏于不安全的。因此需要专门针对FRP约束混凝土进行相关研究，其中FRP约束混凝土的套箍约束力的确定对深入研究FRP约束混凝土的轴压强度模型十分重要。但由于FRP与混凝土之间的约束力存在于FRP与混凝土的界面上，普通应力应变的量测装置无法安装，而压电薄膜质轻、膜薄、耐用易安装，且可以无源工作，目前被广泛应用于医用传感器，但在FRP约束混凝土的套箍力检测方面尚未见任何报道。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种采用压电薄膜测量FRP约束混凝土柱主动和被动套箍力的试验方法。
为实现上述目的，本发明提供的采用压电薄膜测量FRP约束混凝土柱主动和被动套箍力的试验方法，其特征在于：该方法利用压电薄膜的压电效应，即压电薄膜表面输出的电荷量与垂直于表面的压力以及压电薄膜的面积成正比，从而根据外接电路的电荷量的变化可得出压电薄膜的压力，即测得FRP约束混凝土柱的主动和被动套箍力；包括如下步骤：
(1)在FRP约束核心混凝土之前，将厚度仅为28μm，尺寸为0.6cm×3cm，有效面积为1.2cm2，介电常数为110×10-12的压电薄膜粘贴核心混凝土的侧壁，在离贴面位置2d～10d处从FRP纤维丝间隙引出导线以输出压电信号，目的是为了避免开孔位置的应力集中造成压电薄膜测得的约束力有误差；
(2)通过自锁式预应力装置张拉FRP，给FRP施加一已知的预应力，记录压电薄膜的电信号变化；
(3)计算机分析处理压电薄膜的变化的电信号：根据压电薄膜的压电效应，利用压电薄膜的上下两个电极上聚集的正负电荷量的计算公式(1)：
Q＝A·εσ (1)；
式中，Q为压电薄膜表面输出的电荷量；A为压电薄膜的面积；ε为压电材料介电常数；σ为待测的约束力；通过测定外接电路的电荷量的变化可得出压电薄膜的上下表面受到的压力，即检测出此时FRP约束混凝土柱受到的主动套箍力；
(4)对FRP约束混凝土柱进行轴心受压试验，采用分级加载；在加载初期，每级加载为预估极限荷载的1/10，当FRP约束混凝土柱进入屈服阶段后，每级荷载为极限荷载的1/20，每级持荷时间约2～3min，记录压电薄膜的电信号变化；
(5)再次利用公式(1)，通过实时测定外接电路的电荷量的变化可得出压电薄膜的上下表面受到的压力，即实时检测出此时FRP约束混凝土柱受到的被动套箍力；在FRP约束混凝土柱受荷前期，FRP提供的主动套箍力发挥主要作用；后期荷载较大时，被动套箍力发挥主要作用。
本发明的工作原理如下：
本发明通过自锁式预应力装置张拉FRP，给FRP施加一已知的预应力，在FRP约束混凝土柱受荷前期，FRP提供的主动套箍力发挥主要作用，后期荷载较大时，被动套箍力发挥主要作用。本发明根据FRP约束混凝土柱的受力特性，利用压电薄膜对动态应力的高度敏感性，通过薄膜上下电极之间电信号的变化来量测FRP与混凝土之间的相互作用力。
本发明的优点及有益效果如下：
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明装置不会破坏FRP与混凝土界面特性，且膜薄易放置，测试装置简单，测量操作易行，量测结果直观，灵敏度准确度高，可实现受力全过程中套箍约束力的实测，实现在施工或服役过程中对套箍约束力实时检测，可对结构的安全健康实现实时监测。
附图说明
图1为本发明压电薄膜测量FRP约束混凝土柱主动和被动套箍力方法对应的FRP预应力张拉控制示意图；
图2为本发明采用压电薄膜测量FRP约束混凝土柱主动和被动套箍力对应的检测装置的结构示意图。
图中：1、FRP约束混凝土柱，2、自锁式预应力张拉装置锚头，3、自锁式预应力张拉装置螺母，4、自锁式预应力张拉装置螺杆，5、压电薄膜，6、导线，7、计算机。
具体实施方式
下面将结合本发明的技术方案及附图说明本发明的具体实施方式。具体步骤如下：
(1)待测结构柱为一直径150mm，长度为500mm的混凝土柱，混凝土抗压强度为C30；在FRP约束混凝土柱1之前，将厚度仅为28μm、尺寸为0.6cm×3cm，有效面积为1.2cm2，介电常数为110×10-12的压电薄膜5粘贴核心混凝土的侧壁，在离贴面位置2d～10d处从FRP纤维丝间隙引出导线6以输出压电信号；
(2)通过自锁式预应力装置(包括自锁式预应力张拉装置锚头2、自锁式预应力张拉装置螺母3、自锁式预应力张拉装置螺杆4)张拉FRP，给FRP施加一大小为5kN的预应力，记录压电薄膜5的电信号变化；
(3)计算机分析处理压电薄膜5的变化的电信号：根据压电薄膜的压电效应，利用薄膜的上下两个电极上聚集的正负电荷量的计算公式(1)：
Q＝A·εσ，
式中，Q为压电薄膜表面输出的电荷量；A为压电薄膜的面积；ε为压电材料介电常数；σ为待测的约束力。通过测定外接电路的电荷量的变化，利用公式(1)，得出压电薄膜5的上下表面受到的压力为4.63kN，即检测出此时FRP约束混凝土柱受到的主动套箍力为4.63kN；该值小于预应力的原因可能是干扰信号带来的误差，可以看出该误差相对较小，可忽略。
(4)对FRP约束混凝土柱1进行轴心受压试验，采用分级加载。在加载初期，每级加载为预估极限荷载的1/10，当FRP约束混凝土柱1进入屈服阶段后，每级荷载为极限荷载的1/20，每级持荷时间约2～3min，记录压电薄膜5的电信号变化；
(5)再次利用公式(1)，在0.2Nu(Nu为极限荷载)、0.35Nu、0.6Nu、0.8Nu、1.0Nu和极限荷载后卸载到0.85Nu时测得的压电薄膜5表面输出的电荷量范围为：0～8.5×10-6C，在0.35Nu之前压电薄膜5表面输出的电荷量为零，即约束力接近为0，在0.6Nu时约束力增加到2.53MPa，0.8Nu时约束力达到4.38MPa，0.8Nu时约束力达到6.92MPa，该结果与有限元计算结果进行对比，两者之间变化趋势完全吻合。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (1)
1.一种采用压电薄膜测量FRP约束混凝土柱主动和被动套箍力的试验方法，其特征在于：该方法利用压电薄膜的压电效应，即压电薄膜表面输出的电荷量与垂直于表面的压力以及压电薄膜的面积成正比，从而根据外接电路的电荷量的变化可得出压电薄膜的压力，即测得FRP约束混凝土柱的主动和被动套箍力；包括如下步骤：
(1)在FRP约束核心混凝土之前，将厚度仅为28μm，尺寸为0.6cm×3cm，有效面积为1.2cm2，介电常数为110×10-12的压电薄膜粘贴核心混凝土的侧壁，在离贴面位置2d～10d处从FRP纤维丝间隙引出导线以输出压电信号，目的是为了避免开孔位置的应力集中造成压电薄膜测得的约束力有误差；
(2)通过自锁式预应力装置张拉FRP，给FRP施加一已知的预应力，记录压电薄膜的电信号变化；
(3)计算机分析处理压电薄膜的变化的电信号：根据压电薄膜的压电效应，利用压电薄膜的上下两个电极上聚集的正负电荷量的计算公式(1)：
Q＝A·εσ (1)；
式中，Q为压电薄膜表面输出的电荷量；A为压电薄膜的面积；ε为压电材料介电常数；σ为待测的约束力；通过测定外接电路的电荷量的变化可得出压电薄膜的上下表面受到的压力，即检测出此时FRP约束混凝土柱受到的主动套箍力；
(4)对FRP约束混凝土柱进行轴心受压试验，采用分级加载；在加载初期，每级加载为预估极限荷载的1/10，当FRP约束混凝土柱进入屈服阶段后，每级荷载为极限荷载的1/20，每级持荷时间约2～3min，记录压电薄膜的电信号变化；
(5)再次利用公式(1)，通过实时测定外接电路的电荷量的变化可得出压电薄膜的上下表面受到的压力，即实时检测出此时FRP约束混凝土柱受到的被动套箍力；在FRP约束混凝土柱受荷前期，FRP提供的主动套箍力发挥主要作用；后期荷载较大时，被动套箍力发挥主要作用。
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