新型加固用智能碳纖維板及感知性能試驗

王珍珍，任　鵬，程鴻偉，朱萬旭，周　智，2，歐進(jìn)萍，2

（1.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；3.桂林理工大學(xué)，廣西 桂林 541004）

新型加固用智能碳纖維板及感知性能試驗

王珍珍1，任鵬1，程鴻偉1，朱萬旭3，周智1，2，歐進(jìn)萍1，2

（1.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；3.桂林理工大學(xué)，廣西 桂林 541004）

結(jié)合碳纖維增強(qiáng)樹脂的強(qiáng)度特性與光纖布拉格光柵的傳感特性研制開發(fā)出具有變形自感知能力的智能碳纖維復(fù)合板。在介紹內(nèi)嵌光纖傳感器的碳纖維復(fù)合板制作工藝的基礎(chǔ)上，利用自制張拉反力架和鋼筋混凝土梁進(jìn)行智能碳纖維板的感知性能試驗，獲取包括靈敏度、線性度、重復(fù)性、遲滯性以及準(zhǔn)確度等傳感性能指標(biāo)。研究結(jié)果表明：智能碳纖維板具有良好的線性度與重復(fù)性，測試精度高，是集感知和受力、功能材料和結(jié)構(gòu)材料于一體的新型土木工程智能材料，既可以方便地作為混凝土結(jié)構(gòu)的加固裝配件，又可作為其表面的傳感器件，具有良好的工程應(yīng)用前景。

智能碳纖維復(fù)合板；混凝土結(jié)構(gòu)加固；光纖布拉格光柵；制作工藝；自感知性能

0　引　言

由于服役期間使用要求的改變以及多災(zāi)害和長期環(huán)境荷載作用下結(jié)構(gòu)性能退化，大量混凝土結(jié)構(gòu)面臨加固、修復(fù)與升級改造等工程需求，以使其自身在滿足一定可靠度下繼續(xù)服役[1]。自20世紀(jì)80年代以來，碳纖維增強(qiáng)塑料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）因其比強(qiáng)度高、耐腐蝕和疲勞、質(zhì)量輕以及加工成本低等優(yōu)點，成為取代鋼材的一種新型強(qiáng)度材料，并在混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年研究成果表明，對CFRP材料施加一定預(yù)應(yīng)力后進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎加固，使其高強(qiáng)度的優(yōu)點得以充分發(fā)揮，有效減小甚至消除應(yīng)變滯后的現(xiàn)象，并可抑制梁的變形增長和裂縫開展，從而實現(xiàn)良好的加固效果。考慮預(yù)應(yīng)力CFRP板及其加固構(gòu)件在實際工程應(yīng)用中的長期服役性能尚須進(jìn)一步評估[2-3]，獲取長期且可靠的原位測試數(shù)據(jù)意義重大。

研究者通常采用位移計和電阻應(yīng)變片等傳感元件進(jìn)行CFRP板加固RC梁試驗[4]。試驗中可通過預(yù)應(yīng)力CFRP板的應(yīng)變測試得到初始預(yù)應(yīng)力的損失情況和RC梁失效時CFRP強(qiáng)度的利用率，但對不斷涌現(xiàn)的新型預(yù)應(yīng)力加固系統(tǒng)的工程應(yīng)用可行性難以做出綜合評判。另外，對于實際加固后工程結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估，也因現(xiàn)有傳感器缺少低成本的高耐久性封裝與布設(shè)工藝而難以實現(xiàn)。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，歐進(jìn)萍等[5-7]提出將變形協(xié)調(diào)的纖維增強(qiáng)樹脂（FRP）與布拉格光纖光柵（FBG）傳感器復(fù)合，制作出FRP-OFBG智能筋，并推廣到預(yù)應(yīng)力鋼絞線等工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測，取得了良好的應(yīng)用效果。BASTIANINI F[8]利用CFRP片材與光纖傳感器復(fù)合，用于意大利古建的加固修復(fù)。盧少微等[9-10]將FBG傳感器固化于CFRP布，將其應(yīng)用到RC梁加固；利用應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元分析對試驗梁的荷載效應(yīng)進(jìn)行了評估。針對需要拉擠成型的CFRP板，而目前少有相關(guān)智能部品的報道。

本文將CFRP的強(qiáng)度特性與FBG傳感探頭相融合，研制開發(fā)出基于拉擠成型工藝的智能CFRPOFBG復(fù)合板；在介紹其制作工藝的基礎(chǔ)上，對錨固組裝完成的4片智能碳纖維板試件進(jìn)行標(biāo)定試驗，獲取其自感知性能指標(biāo)；最后，采用兩端夾片式錨具實施目標(biāo)鋼筋混凝土梁加固并進(jìn)行全過程應(yīng)變測試與校核。

1　智能CFRP板的制作工藝

光纖光柵傳感器作為一種成熟技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域[11]，它不僅具備了各類光纖傳感器共有的抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、體積小、質(zhì)量輕、靈活方便，適用于惡劣服役環(huán)境等特點外，同時，還具備如下優(yōu)勢：1）傳感探頭結(jié)構(gòu)簡單，便于形成智能材料與結(jié)構(gòu)且不改變基體材料的力學(xué)性能；2）經(jīng)過標(biāo)定后，可實現(xiàn)外界參量的準(zhǔn)分布式絕對測量；3）耐高溫，滿足智能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高溫拉擠過程自身應(yīng)變狀態(tài)監(jiān)測；4）測試靈敏度高，準(zhǔn)確度高，重復(fù)性好；5）可以防止各種光強(qiáng)起伏引起的干擾，具有很好的可靠性和穩(wěn)定性；6）復(fù)用能力，可構(gòu)成各種形式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)等；7）輸出線性范圍寬、頻帶寬、信噪比高、空間分辨率高；8）與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有天然良好的相容性，適合拉擠工藝的復(fù)合材料構(gòu)件制備過程中進(jìn)行埋置。

智能碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板作為一類一維構(gòu)件適合采用拉擠成型的工藝制作，其基本原理是將寫入光柵的光纖放入到合束盤的正中孔，隨多股連續(xù)碳纖維束一起在外力牽引下進(jìn)入膠槽浸漬環(huán)氧樹脂、固化劑、促進(jìn)劑等熱固性材料后,在具有固定截面形狀的加熱模具內(nèi)固化成型,最后拉出模具,連續(xù)生產(chǎn)出線型制品。智能碳纖維板中光柵（或光柵串）的位置，數(shù)量是根據(jù)加固對象的受力情況預(yù)先設(shè)計好，在拉擠過程中標(biāo)記好位置，擠壓成型的成卷智能碳纖維板在指定位置處切割即可，切割完的智能碳板將拉撥出部分光纖（30~50cm）用跳線封裝后在尾端接好跳線頭，并在光纖伸出碳板的部位做好接頭保護(hù)。采用拉擠工藝制作的智能CFRP板的優(yōu)點是材料消耗低，生產(chǎn)成本低，適合大規(guī)模生產(chǎn)等，且拉擠制品具有輕質(zhì)高強(qiáng)、絕緣性好、耐腐蝕、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)勢。智能碳纖維板及制作工藝如圖1、圖2所示。

圖1　智能碳纖維復(fù)合板示意圖

2　智能CFRP板的感知性能試驗

研究表明，在不考慮溫度應(yīng)變耦合作用的情況下，光纖光柵中心波長與其相應(yīng)的溫度、應(yīng)變有如下線性關(guān)系：

考慮到本次感知性能試驗，碳板僅僅受到逐級增加的軸向張拉力P，因此可以得到P與中心波長變化量ΔλB之間的關(guān)系：

圖2　智能碳纖維復(fù)合板制作工藝流程示意圖

式中：αε、αt——應(yīng)變和溫度靈敏度系數(shù)；

ΔλB——Bragg中心波長的漂移量；

ε、Δt——相應(yīng)的應(yīng)變和溫度增量；

P——施加的軸向張拉力；

Ecp、Acp——碳板的彈性模量和面積；

b、h——碳板的板寬和板高。

考慮到試驗室環(huán)境溫度恒定，因此可以忽略溫度變化引起的中心波長的漂移，因此，式（3）可簡化為

本文采用4片智能碳板裝配件進(jìn)行感知性能試驗。試驗前，取5塊尺寸約為600mm×50mm×2mm的試件，依據(jù)GB/T 3354——1999《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗方法》進(jìn)行力學(xué)性能測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1　CFRP試件力學(xué)性能

感知性能測試試驗裝置包括課題組自制80t承載力張拉反力架、100 t電動液壓千斤頂、電阻應(yīng)變式壓力傳感器、光纖光柵解調(diào)儀、引伸計、標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷測量儀等，如圖3所示。

圖3　試驗用張拉反力架示意圖

將組裝好的智能碳板組裝件安裝至反力架，并初步預(yù)緊千斤頂，調(diào)平碳板及張拉桿件，防止碳板因受力不均而發(fā)生破斷。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷測量儀的張拉力示數(shù)，利用電動液壓千斤頂分別逐級張拉智能碳板SC-1、SC-2、SC-3、SC-4至標(biāo)定荷載（見表2），每一級加載后靜置1~2min，再以相同方式逐級卸載至初始狀態(tài)，此過程重復(fù)3~5個循環(huán)。由于試驗室溫度恒定，因此可以忽略溫度變化導(dǎo)致的中心波長的變化。光纖光柵解調(diào)儀、引伸計數(shù)據(jù)選定動態(tài)采集模式，采樣頻率同為10Hz，得到每級荷載下對應(yīng)的中心波長、碳板伸長量，從而獲取每片智能碳板的靈敏度、線性度、重復(fù)性、滯回、量程、分辨率、準(zhǔn)確度等傳感性能指標(biāo)[12]，見表3和圖4。

表2　試件匯總表

表3　各試件傳感指標(biāo)匯總表

3　智能CFRP板加固混凝土梁試驗

本文采用兩端夾片式錨具錨固的智能CFRP板對一根鋼筋混凝土梁進(jìn)行后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固（見圖5）。利用智能CFRP板的自感知性能對其自身在預(yù)應(yīng)力張拉、放張錨固至膠層固化以及靜載破壞全過程（見圖6）的實時應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并將各階段智能CFRP板的測試結(jié)果與電阻應(yīng)變片數(shù)據(jù)進(jìn)行對比校核。

圖4　各組試件標(biāo)定曲線

圖5　智能CFRP板加固混凝土梁實物圖

圖6　加固RC梁靜載試驗

試驗前，首先在混凝土梁底預(yù)先定位的固定端支架、張拉端支架錨固區(qū)域進(jìn)行切割挖槽、基礎(chǔ)清理找平，并在錨固區(qū)進(jìn)行機(jī)械錨栓打孔，植筋錨固；其次安裝固定端支架、張拉端支架，預(yù)緊螺栓，并安裝好千斤頂、壓力傳感器等；然后用角磨機(jī)打磨梁底粘貼碳板區(qū)域，并用丙酮清理干凈后，對擬有粘結(jié)加固梁均勻地涂抹一層建筑結(jié)構(gòu)膠。

試驗分為3個階段：首先，在膠層完全固化前，采用50t電動液壓千斤頂以10kN為一步長逐級張拉智能CFRP板至設(shè)計預(yù)應(yīng)力值，張拉力的數(shù)值采用壓力傳感器進(jìn)行全程監(jiān)控，利用光纖光柵解調(diào)儀（泰達(dá)爾公司生產(chǎn)的TFBFGD-9000）、電阻應(yīng)變儀（江蘇東華測試DH3818）記錄各級荷載下智能CFRP板與外貼應(yīng)變片的測試數(shù)據(jù)（見圖7（a））；其次，張拉完成后放張錨固、待膠層完全固化后（一般為24 h）記錄放張錨固前、后5 min，10 min，30 min、1 h，之后每隔1 h記錄智能CFRP板與外貼應(yīng)變片的測試數(shù)據(jù)，獲取預(yù)應(yīng)力張拉引入的初始預(yù)應(yīng)力損失值（見圖7（b））；最后，進(jìn)行三點加載破壞試驗，按位移加載方式，逐級加載至構(gòu)件破壞，記錄全過程智能CFRP板與外貼應(yīng)變片測試數(shù)據(jù)（見圖7（c））。

如表4所示，經(jīng)試驗結(jié)果分析，智能CFRP板全過程應(yīng)變測試數(shù)據(jù)與應(yīng)變片測試數(shù)據(jù)之間的平均誤差最大僅為2.58%，滿足土木工程測試要求。

圖7　智能CFRP板與電阻應(yīng)變片應(yīng)變測試數(shù)據(jù)對比

表4　智能CFRP板試驗各階段誤差計算

4　結(jié)束語

本文將碳纖維增強(qiáng)樹脂的強(qiáng)度特性及光纖布拉格光柵感知特性融合，研制開發(fā)出基于拉擠成型工藝的智能CFRP-OFBG碳纖維復(fù)合板，并對其力學(xué)、感知性能進(jìn)行試驗研究，取得主要結(jié)論為：

1）通過CFRP封裝的FBG傳感器跟裸光纖的傳感特性基本一致，其應(yīng)變靈敏度系數(shù)為1.23pm/με。

2）智能CFRP板的量程7041~8806με，測試范圍覆蓋了70%～80%碳纖維板的極限拉應(yīng)變。

3）智能CFRP板具有良好的線性度和重復(fù)性，是集感知和受力、功能材料和結(jié)構(gòu)材料于一體的新型土木工程智能材料。

4）將兩端錨固的智能CFRP板裝配件與混凝土構(gòu)件合理錨固，可用于預(yù)應(yīng)力CFRP板加固全過程應(yīng)力狀態(tài)實時監(jiān)測，精度滿足土木工程應(yīng)用要求。

研究表明，智能CFRP-OFBG碳纖維板的制作工藝已經(jīng)可以滿足規(guī)模化連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，在加固施工及長期服役期間均可做到“即插即用”，實時快速獲取碳板的內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)，在土木工程加固、修復(fù)及改造領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

[1]TENGJG，CHENJF，SMITHS T，et al.FRP strengthened RC structures[M].John Wiley&Sons，2002.

[2]薛偉辰，曾磊.預(yù)應(yīng)力CFRP板加固混凝土梁設(shè)計理論研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2008，29（4）：127-133.

[3]WANG W W，DAI J G.Prestress losses and flexural behavior of reinforced concrete beams strengthened with posttensioned CFRP sheets[J].Journal OF Composites for Construction，2012（16）：207-216.

[4]王興國，陳紅強(qiáng).無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP板加固混凝土梁試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報（增刊2），2010：261-265.

[5]ZHOUZ，OU J P.Smart FRP-OFGB bars and their application in reinforced concrete beams[C]∥Proceedings of the First International Conference on Structural Health Monitoring and Intelligent Structure，Tokyo：Japan，2003：861-866.

[6]蘭春光，劉航，周智.基于BOTDA-FBG智能鋼絞線的預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測[J].土木工程學(xué)報，2013，46（9）：55-61.

[7]鄧年春，歐進(jìn)萍，周智.光纖光柵在預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力監(jiān)中的應(yīng)用[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，39（10）：1550-1553.

[8]BASTIANINIF，CARGNELUTTIM.Distributedbrillouin fiber optic strain monitoring applications in advanced composite materials[J].Smart Structures and Materials，2003：478-485.

[9]盧少微，謝懷勤.智能CFRP加固RC梁荷載效應(yīng)的實時模擬與測評[J].復(fù)合材料學(xué)報，2006，23（3）：150-164.

[10]盧少微，謝懷勤.置入FBG傳感器的CFRP加固RC梁在線監(jiān)測技術(shù)研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2007，15（3）：387-394.

[11]MELTZG，MOREY W，GLENNW.Formation of bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method[J].Opt Lett，1989（14）：823-825.

[12]傳感器主要靜態(tài)性能指標(biāo)計算方法：GB/T 18459——2001[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

（編輯：李剛）

New smart carbon fiber reinforced polymer plate for strengthening and its sensing performance test

WANG Zhenzhen1，REN Peng1，CHENG Hongwei1，ZHU Wanxu3，ZHOU Zhi1，2，OU Jinping1
（1.School of Civil Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；3.Guilin University of Technology，Guilin 541004，China）

Asmartcompositeplate，combinedwiththestrengthpropertiesofcarbonfiber reinforced polymer（CFRP）and the self-sensing properties of Fiber Bragg Grating(FBG)，has been developed.Its fabrication process has been briefly introduced and its sensing properties，such assensitivity，linearity，repeatability，hysteresisandprecision， havebeenstudiedthrough calibration experiment on specially designed reaction frames and reinforced concrete beams.The experimental results show that this smart plate is a novel smart material for civil engineering with good linearity and repeatability，high testing precision and that combines sense with stress and functional materials with structural materials，and also a reinforcement assembly for concrete structure and a sensing device mounted on its surface.It possesses a good prospect of engineering applications.

smart CFRP plate；reinforced concrete beam strengthen；FBG；fabrication process；selfsensing property

A

1674-5124（2016）03-0113-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.03.026

2015-10-13；

2015-11-29

國家973計劃項目（2011CB013705）；國家863計劃項目（2014AA110401）

王珍珍（1986-），女，山東德州市人，博士，研究方向為FRP工程結(jié)構(gòu)加固。

周智（1973-），男，教授，博導(dǎo)，研究方向為防災(zāi)減災(zāi)工程與防護(hù)工程。