CN113089413B - 一种内嵌分布式光纤的智能传力杆及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种内嵌分布式光纤的智能传力杆及其制造方法，属于道路安全技术领域，本发明为解决现有传力杆的钢筋与混凝土接触界面易产生应力集中，进而导致传力杆松动，难以有效传递荷载，并且无法感知传力杆工作状态的问题。它包括FRP套管、柱形钢芯、分布式光纤、端部套管和封胶层；FRP套管套装在柱形钢芯外部，柱形钢芯的中段刻有螺旋槽，分布式光纤安装在所述螺旋槽内，柱形钢芯的两端刻有凸螺纹，其中一端的凸螺纹内设有光纤引线槽，端部套管的内腔设有与所述凸螺纹匹配的凹螺纹，端部套管套装在柱形钢芯两端的外部，封胶层填充在端部套管的外端部，且用于封装端部套管的内腔。本发明用于水泥混凝土路面。

Description

一种内嵌分布式光纤的智能传力杆及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种内嵌分布式光纤的智能传力杆及其制造方法，属于道路安全技术领域。
背景技术
接缝破坏是水泥混凝土路面的三大病害之一，对此，保证水泥混凝土路面横向缩缝的传荷能力及其使用耐久性最有效的措施之一是在缩缝处设置传力杆。沿水泥混凝土路面板横缝，每隔一定距离在板厚中央布置一个圆钢筋，即为传力杆，其一端固定在一侧板内，另一端可以在邻侧板内滑动，其作用是在两块路面板之间传递行车荷载和防止错台，增加相邻混凝土块之间的应力传递以防止混凝土路面局部受力较大造成混凝土路面不均匀沉降，传递应力使相邻混凝土块共同受力。
目前，水泥混凝土路面采用的传力杆主要为光圆钢筋传力杆，而光圆钢筋由于硬度远远大于混凝土的硬度，在外部荷载作用下，钢筋与混凝土的接触界面容易产生应力集中，造成界面破坏，导致传力杆松动，使其传荷能力削弱甚至丧失。同时，当接缝渗入水分时，很容易造成光圆钢筋传力杆锈蚀，锈蚀后的钢筋一方面会产生锈胀应力，同样会造成界面破坏，另一方面锈蚀后钢筋的有效截面减小，降低传力杆的服役寿命。除此之外，光圆钢筋传力杆无法感知传力杆本身的工作状态，不能有效评价接缝的传荷能力，现有技术只能通过外部检测来间接评价接缝的传荷能力，耗费大量人力物力。
针对光圆钢筋传力杆表面硬度大的问题，近年来随着纤维增强复合材料FRP在工程领域的广泛应用，国内外主要围绕FRP材料代替光圆钢筋传力杆进行研究。由于FRP材料具有抗拉强度高、密度小、弹性模量和表面硬度较低等优点，成为目前替代光圆钢筋传力杆的最优选择。但是FRP材料的抗剪强度远远低于光圆钢筋，因此直接用于传力杆受到一定限制。有研究通过拉挤工艺在FRP中嵌入钢筋，成功解决了光圆钢筋传力杆表面硬度大的问题，同时也解决了FRP材料用于传力杆的抗剪强度低的问题，具有较高的应用和推广价值。
为了解决光圆钢筋传力杆的锈蚀问题，现阶段已有一些研究和方法，例如在光圆钢筋表面涂抹环氧树脂等一些保护层，或者在光圆钢筋传力杆表面镀锌作为钢筋锈蚀的牺牲层，抑或采用不锈钢等合金制作传力杆。这些方法虽然可以在一定程度上延缓光圆钢筋传力杆的锈蚀，但却不能彻底解决其锈蚀问题。有研究将混凝土注入FRP管中，彻底解决了光圆钢筋传力杆锈蚀的问题，但是此种类型的传力杆抗剪强度只有光圆钢筋的一半左右，推广使用受到一定限制。
通过对传力杆的受力状态进行实时监测，可以准确评估水泥混凝土路面接缝的传荷能力，延长路面的使用寿命，提高运营安全，降低养护和维护费用。有研究在铝合金管内注入混凝土来制作传力杆，同时在铝合金管外表面粘贴信号发射芯片，以此来感知传力杆的受力情况，但是芯片型智能传力杆易受电磁干扰，使用范围受到很大限制。
分布式光纤具有抗腐蚀性及抗电磁干扰性能强、耐久性好、几何变形能力强、监测精度高可实现长距离监测及大容量传输等优点，在工程领域应用广泛。分布式光纤智能筋材在土木工程结构健康监测的应用主要有：内嵌分布式光纤智能钢绞线、内嵌分布式光纤FRP筋、内嵌分布式光纤智能FRP锚杆等。但是内嵌分布式光纤的FRP复合筋材，基本都是直接通过拉挤工艺制作成型，FRP智能筋切割后光纤引线不易引出，大大增加了FRP智能筋的废品率。此外，现有的分布式光纤研究均未涉及传力杆工作状态的监测。
发明内容
本发明目的是为了解决现有传力杆的钢筋与混凝土接触界面易产生应力集中，进而导致传力杆松动，难以有效传递荷载，并且无法感知传力杆工作状态的问题，提供了一种内嵌分布式光纤的智能传力杆及其制造方法。
本发明所述一种内嵌分布式光纤的智能传力杆，它包括FRP套管、柱形钢芯、分布式光纤、端部套管和封胶层；
FRP套管套装在柱形钢芯外部，柱形钢芯的中段刻有螺旋槽，分布式光纤安装在所述螺旋槽内，柱形钢芯的两端刻有凸螺纹，其中一端的凸螺纹内设有光纤引线槽，端部套管的内腔设有与所述凸螺纹匹配的凹螺纹，端部套管套装在柱形钢芯两端的外部，封胶层填充在端部套管的外端部，且用于封装端部套管的内腔。
优选的，所述柱形钢芯中段的外壁还有一体成型的毛刺。
优选的，所述分布式光纤的引线外设有包覆层。
优选的，所述柱形钢芯为圆柱形。
优选的，所述端部套管的外径与FRP套管的外径相同，长度大于FRP套管与柱形钢芯长度之差一半的1cm～3cm。
优选的，所述FRP套管的内径与柱形钢芯的外径相同，FRP套管的长度与柱形钢芯中段的长度相同。
优选的，所述封胶层与端部套管的外端面平齐；所述封胶层采用环氧树脂胶。
优选的，所述端部套管采用尼龙、酚醛塑料、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚碳酸酯或聚丙烯制成。
优选的，所述FRP套管采用玻璃纤维增强复合材料、玄武岩纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料或芳纶纤维增强复合材料制成。
优选的，所述分布式光纤的光纤引线通过光纤引线槽引出，采用高粘胶进行胶结固定。
本发明所述一种内嵌分布式光纤的智能传力杆的制造方法，该方法的具体过程包括：
S1、根据水泥混凝土路面对传力杆的需求，获取FRP套管的尺寸，采用拉挤成型工艺制作FRP套管，并切割成所需尺寸；
S2、利用机床加工柱形钢芯，并使毛刺和两端的凸螺纹一体成型，在柱形钢芯的中段刻螺旋槽；
S3、套装端部套管，在端部套管的内腔加工凹螺纹；
S4、将分布式光纤缠绕胶结在S2制成的柱形钢芯螺旋槽内；
S5、将FRP套管和端部套管在设定温度下预热膨胀后的内腔里淋胶；所述所述设定温度根据FRP套管的材料进行选定；
S6、在柱形钢芯外壁上刷胶；
S7、将柱形钢芯嵌入FRP套管内腔；
S8、将FRP套管和端部套管的接触面刷胶；
S9、将端部套管拧结于柱形钢芯两端的凸螺纹上；
S10、将端部套管的外端部填充封胶层。
本发明提出的内嵌分布式光纤的智能传力杆及其制造方法，具有以下优点：
1、能够长期实时监测水泥混凝土路面接缝处传力杆的工作状态；
2、能够避免光圆钢筋传力杆存在锈蚀的问题；
3、消除了光圆钢筋传力杆应急集中现象，提高其使用寿命；
4、采用预制拼装的方法，有效解决了FRP智能筋的光纤引线引出的问题；
5、施工简单，可操作性强，对路面结构性能无影响。
附图说明
图1是本发明所述一种内嵌分布式光纤的智能传力杆的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种内嵌分布式光纤的智能传力杆，它包括FRP套管1、柱形钢芯2、分布式光纤3、端部套管4和封胶层5；
FRP套管1套装在柱形钢芯2外部，柱形钢芯2的中段刻有螺旋槽，分布式光纤3安装在所述螺旋槽内，柱形钢芯2的两端刻有凸螺纹，其中一端的凸螺纹内设有光纤引线槽，端部套管4的内腔设有与所述凸螺纹匹配的凹螺纹，端部套管4套装在柱形钢芯2两端的外部，封胶层5填充在端部套管4的外端部，且用于封装端部套管4的内腔。
进一步的，所述柱形钢芯2中段的外壁还有一体成型的毛刺。
本实施方式中，在FRP预热膨胀腔内淋胶后，将带有毛刺的钢芯插入FRP套管内腔，在室温冷却后使毛刺嵌入FRP套管内壁，从而防止圆柱形钢芯与FRP套管滑移，增强结构的整体性。
再进一步的，所述分布式光纤3的引线外设有包覆层。
再进一步的，所述柱形钢芯2为圆柱形。
本实施方式中，所述圆柱形的柱形钢芯2具有优良的剪切强度、抗弯曲变形能力。
再进一步的，所述端部套管4的外径与FRP套管1的外径相同，长度大于FRP套管1与柱形钢芯2长度之差一半的1cm～3cm。
再进一步的，所述FRP套管1的内径与柱形钢芯2的外径相同，FRP套管1的长度与柱形钢芯2中段的长度相同。
本实施方式中，FRP套管1的内径略大于柱形钢芯2的外径。目的是：确保套装时，柱形钢芯2能够顺利插入FRP套管1的内腔，并且保护分布式光纤3免于挤压破坏。具体范围是，FRP套管1的内径大于柱形钢芯2的外径的1cm～2cm。具体套装过程为：将FRP套管1预热膨胀；向FRP套管1膨胀后的内腔淋胶；将柱形钢芯2插入FRP套管1的内腔；将套装好的杆件在室内进行冷却。
再进一步的，所述封胶层5与端部套管4的外端面平齐；所述封胶层5采用环氧树脂胶。
本实施方式中，所述封胶层5采用环氧树脂胶，具有优良的胶结强度、抗腐蚀性、弹性变形能力。
再进一步的，所述端部套管采用尼龙、酚醛塑料、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚碳酸酯或聚丙烯制成。
本实施方式中，所述端部套管为塑料套管，采用尼龙、酚醛塑料、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚碳酸酯(PC)或聚丙烯(PP)等材料，具有优良的抗腐蚀性、韧性及抗变形能力。
再进一步的，所述FRP套管1采用玻璃纤维增强复合材料、玄武岩纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料或芳纶纤维增强复合材料制成。
再进一步的，所述分布式光纤3的光纤引线通过光纤引线槽引出，采用高粘胶进行胶结固定。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述一种内嵌分布式光纤的智能传力杆的制造方法，该方法包括：
S1、根据水泥混凝土路面对传力杆的需求，获取FRP套管1的尺寸，采用拉挤成型工艺制作FRP套管1，并切割成所需尺寸；
S2、利用机床加工柱形钢芯2，并使毛刺和两端的凸螺纹一体成型，在柱形钢芯2的中段刻螺旋槽；
S3、套装端部套管4，在端部套管4的内腔加工凹螺纹；
S4、将分布式光纤3缠绕胶结在S2制成的柱形钢芯2螺旋槽内；
S5、将FRP套管1和端部套管4在设定温度下预热膨胀后的内腔里淋胶；所述设定温度根据FRP套管1的材料进行选定；
S6、在柱形钢芯2外壁上刷胶；
S7、将柱形钢芯2嵌入FRP套管1内腔；
S8、将FRP套管1和端部套管4的接触面刷胶；
S9、将端部套管4拧结于柱形钢芯2两端的凸螺纹上；
S10、将端部套管4的外端部填充封胶层5。
本发明中，为了提高光圆钢筋传力杆的耐久性，同时对传力杆工作状态开展实时长期监测，改进了分布式智能筋的内部结构，提出了一种以FRP复合钢芯作为传力杆杆体，以分布式光纤传感器作为感知元件，预制拼装成型的智能传力杆。该智能传力杆具有强抗锈蚀能力、抗剪切能力及抗电磁干扰能力，且表面硬度低、监测精度高，制作工艺简单等优点，可实现对水泥混凝土路面接缝处传力杆工作状态的长期实时监测，对于推动结构健康监测领域的发展至关重要。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (11)

1.一种内嵌分布式光纤的智能传力杆，其特征在于，它包括FRP套管(1)、柱形钢芯(2)、分布式光纤(3)、端部套管(4)和封胶层(5)；
FRP套管(1)套装在柱形钢芯(2)外部，柱形钢芯(2)的中段刻有螺旋槽，分布式光纤(3)安装在所述螺旋槽内，柱形钢芯(2)的两端刻有凸螺纹，其中一端的凸螺纹内设有光纤引线槽，端部套管(4)的内腔设有与所述凸螺纹匹配的凹螺纹，端部套管(4)套装在柱形钢芯(2)两端的外部，封胶层(5)填充在端部套管(4)的外端部，且用于封装端部套管(4)的内腔。
2.根据权利要求1所述的一种内嵌分布式光纤的智能传力杆，其特征在于，所述柱形钢芯(2)中段的外壁还有一体成型的毛刺。
3.根据权利要求1所述的一种内嵌分布式光纤的智能传力杆，其特征在于，所述分布式光纤(3)的引线外设有包覆层。
4.根据权利要求1所述的一种内嵌分布式光纤的智能传力杆，其特征在于，所述柱形钢芯(2)为圆柱形。
5.根据权利要求1所述的一种内嵌分布式光纤的智能传力杆，其特征在于，所述端部套管(4)的外径与FRP套管(1)的外径相同，长度大于FRP套管(1)与柱形钢芯(2)长度之差一半的1cm～3cm。
6.根据权利要求1所述的一种内嵌分布式光纤的智能传力杆，其特征在于，所述FRP套管(1)的内径与柱形钢芯(2)的外径相同，FRP套管(1)的长度与柱形钢芯(2)中段的长度相同。
7.根据权利要求1所述的一种内嵌分布式光纤的智能传力杆，其特征在于，所述封胶层(5)与端部套管(4)的外端面平齐；所述封胶层(5)采用环氧树脂胶。
8.根据权利要求1所述的一种内嵌分布式光纤的智能传力杆，其特征在于，所述端部套管采用尼龙、酚醛塑料、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚碳酸酯或聚丙烯制成。
9.根据权利要求1所述的一种内嵌分布式光纤的智能传力杆，其特征在于，所述FRP套管(1)采用玻璃纤维增强复合材料、玄武岩纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料或芳纶纤维增强复合材料制成。
10.根据权利要求1所述的一种内嵌分布式光纤的智能传力杆，其特征在于，所述分布式光纤(3)的光纤引线通过光纤引线槽引出，采用高粘胶进行胶结固定。
11.一种内嵌分布式光纤的智能传力杆的制造方法，该制造方法基于权利要求2实现，其特征在于，该方法的具体过程包括：
S1、根据水泥混凝土路面对传力杆的需求，获取FRP套管(1)的尺寸，采用拉挤成型工艺制作FRP套管(1)，并切割成所需尺寸；
S2、利用机床加工柱形钢芯(2)，并使毛刺和两端的凸螺纹一体成型，在柱形钢芯(2)的中段刻螺旋槽；
S3、套装端部套管(4)，在端部套管(4)的内腔加工凹螺纹；
S4、将分布式光纤(3)缠绕胶结在S2制成的柱形钢芯(2)螺旋槽内；
S5、将FRP套管(1)和端部套管(4)在设定温度下预热膨胀后的内腔里淋胶；所述设定温度根据FRP套管(1)的材料进行选定；
S6、在柱形钢芯(2)外壁上刷胶；
S7、将柱形钢芯(2)嵌入FRP套管(1)内腔；
S8、将FRP套管(1)和端部套管(4)的接触面刷胶；
S9、将端部套管(4)拧结于柱形钢芯(2)两端的凸螺纹上；
S10、将端部套管(4)的外端部填充封胶层(5)。
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