光纤光栅纤维增强塑料筋锚杆

在纤维增强塑料筋制作过程中,将光纤光栅传感器埋入其内部,可得到光纤光栅纤维增强塑料筋锚杆,它兼具受力与传感的特性,集结构和功能于一体。文章对此类锚杆的传感机理和传感特性进行了研究。研究结果表明,光纤光栅纤维增强塑料锚杆具有耐腐蚀、抗拉强度高、自重轻、自诊断等优异性能,可广泛应用于矿井、建筑、水利和交通领域的支护、锚固和在线实时安全监测。

纤维增强塑料筋材

纤维增强塑料（以下简称FRP）筋材，属于对原有FRP筋材的改进。它提供一种纤维增强塑料筋材，包括FRP芯层和FRP筋材所浸渍的基体树脂，在它的芯层外周面，轴向包裹着玻璃纤维膨体纱增强塑料包层。采用本实用新型制得的纤维增强塑料筋材，由于在芯层外周面，轴向包裹有玻璃纤维膨体纱增强塑料包层，因此它可有效地增加纤维增强塑料筋材芯层外表的粗糙度，提高了与混凝土的握裹力，从而提高增强混凝土构件的使用寿命。可取代钢筋用来增强混凝土，广泛用于严酷环境中的建筑物，如海工结构、使用防冻剂的停车场及桥梁等等。

FRP-OFBG智能复合筋及其在加筋混凝土梁中的应用

结合纤维增强聚合物(FRP)的强度特性和光纤光栅(OFBG)的感知特性,研制开发出了FRP-OFBG智能复合筋,研究了它的力学、微观结构、感知等特性.通过FRP-OFBG加筋混凝土梁静载试验,监测了FRP筋的应变和混凝土开裂,研究了FRP筋与混凝土的滑移和混凝土梁的应变分布.结果表明,FRP-OFBG智能复合筋克服了光纤光栅在混凝土中埋设的工艺难题,是集感知和受力、功能材料和结构材料于一体的新型土木工程材料,既可以方便地作为混凝土结构的内部传感元件,也可以作为结构受力筋,具有很好的应用前景.

新型FRP-OFBG智能钢绞线的研制及其材料性能研究

通过用纤维增强树脂光纤光栅智能复合筋(FRP-OFBG筋)替换普通钢绞线中丝研制出了新型FRP-OFBG智能钢绞线。将智能钢绞线置于3 m拉索试验钢架台座上进行了静载试验,在5次循环加载后于第6次加载至破断,根据试验结果对FRP-OFBG智能钢绞线的应变传感性能及受力重复性能进行了研究。研究发现,智能钢绞线的感知线性度和重复性均较好,其承载力比不计FRP-OFBG筋强度的钢绞线的承载力略大,破坏形式为FRP-OFBG筋达到极限应力破坏后,钢绞线不滑丝并在中间位置破坏,可实现智能钢绞线破断的全过程监测,其最大应变可达9500με以上。结果表明,实用新型FRP-OFBG智能钢绞线是一种集应变感知和受力于一体的结构健康监测建筑材料。

内嵌钢丝GFRP-FBG智能复合筋的研制及其性能分析

目的研究一种新型玻璃纤维增强(GFRP)-光纤光栅(FBG)智能复合筋的制备方法及其力学和感知特性,为了改善FRP筋的弹性模量低,安全性能差的缺点.方法根据单向混杂纤维FRP筋制备原理,将多根细钢丝和光纤传感元件内嵌于GFRP筋中设计一种新型的内嵌钢丝GFRP智能复合筋结构,阐述其结构及制作工艺,并对其力学及感知特性进行了试验研究.结果给出了新型智能钢绞线的制备方法.通过试验确定新型智能筋的弹性模量与普通GFRP智能筋相比有所提高,内嵌2根、3根、4根钢丝的智能筋弹性模量分别提高了3.1%、5.8%、8.0%;应变感知线性相关系数为99.973%,内嵌2根、3根和4根钢丝的智能筋灵敏度系数分别为每应变1.12 pm、1.14 pm和1.18 pm.内嵌钢丝GFRP智能筋具有良好的力学特性,其弹性模量较普通GFRP复合筋有所提高;智能筋的应变和温度感知特性较好,应变感知灵敏度系数与GFRP智能筋相近,并与传统传感器监测结果相吻合.结论验证了该内嵌钢丝GFRP智能筋兼具受力与传感特性,适合于实际工程应用需要.

用于FRP固化在线监测的光纤微弯压力传感器

无论在军事还是航空航天领域,光纤传感器都是一种极具应用前景的智能化监测手段。目前,将光纤传感器用于纤维增强树脂基复合材料固化过程的监测的研究是一个热点。但由于大多数光纤传感器监测固化过程成本较高,所以还没有被广泛的应用于实际生产当中。开发了一种新型的低成本、高灵敏度、易操作的光纤传感器用于纤维增强树脂基复合材料固化过程的在线监测。光纤传感器的设计基于光纤微弯损耗原理,其监测的直接目标参量为增强纤维所构成的网络所承担的压力变化,可以进而通过Gutowski的树脂流动/纤维变形理论间接得出对于固化过程中的几个关键参量。给出了这种压力传感器的设计制作方法,测定该种传感器在静态和动态下的压力-光损耗响应曲线,分析了该传感器对环境温度与折射率变化的响应。完成了利用微弯压力传感器进行纤维增强复合材料在热压釜中固化成型过程的在线监测实验,获得了良好的结果。

基于光纤布里渊传感的钢绞线全尺度应力监测

针对钢绞线服役过程中因弯角、摩擦、滑移等原因导致的应力分布式变化及传统传感器不能有效解决分布式测试和工程布设的难题,提出将纤维增强树脂-光纤复合智能筋与钢绞线复合,利用光纤布里渊传感实现钢绞线应力的全尺度监测技术,并通过钢绞线的张拉试验验证了该技术的有效性。试验结果表明,智能筋中的光纤布里渊测试平均应变与引伸计结果吻合较好,反算荷载与控制张拉力吻合亦良好,其误差在5%左右,说明监测信息能很好地揭示钢绞线的应力分布状态。该技术具有抗电磁干扰,耐久性好,长距离全尺度测量,实施方便,成本低等优点,适于钢绞线结构的从施工到服役的全过程长期监测。

光纤布里渊与布喇格光栅共线技术的温度互补偿

为了解决实际工程应用中光纤光栅和分布式布里渊共线技术测试应变的绝对温度补偿方法成本较高、不易布设等问题,采用光纤布里渊和布喇格光栅共线技术应变感知的温度互补偿方法,通过感知探头——双光纤光栅-纤维增强复合智能筋的室内和户外温度补偿试验探讨了该方法的有效性和适用性。结果表明,该方法可以实现光纤布里渊和光纤光栅的准分布式温度互补偿,误差低于8%,在工程接受范围内。此外,该技术还能同时给出应变和温度双参量测试结果,简化了传感系统,降低了布设成本,适合实际工程应用。

大型预应力混凝土结构预应力筋应力测试技术研究

预应力筋是大型预应力混凝土结构中的关键受力构件,其应力状态对结构整体性能起着关键作用。该文从传感器布设位置的角度,对当前国内外采用的预应力测试方法进行了研究,在分析各类测试方法的优缺点和适用性的基础上,指出了其难点和关键问题,并对其未来发展的研究方向进行了展望。

基于相移光纤光栅传感器的碳纤维增强树脂复合材料基体裂纹超声探伤

复合材料内部的微小裂纹常会引起后续严重的破坏,因此需要对其进行检测。然而超声探伤复合材料基体裂纹非常困难。本文搭建了一个具有高灵敏度、大带宽的相移光纤光栅超声传感系统,利用此系统探测了在正交铺层碳纤维增强树脂复合材料板中传播的Lamb波。对Lamb波进行数据处理发现,随着三点弯曲实验产生的基体裂纹个数增加,Lamb波的幅值和频谱峰值线性减少。通过和传统压电传感器比较表明,相移光纤光栅传感器测得的Lamb波信号随复合材料基体裂纹数的增加其幅值具有更高的下降速率,表明相移光纤光栅传感器更适合于复合材料基体裂纹的超声探伤。研究表明,新开发的传感系统能够探测到中心频率为300kHz的微弱超声信号,并能够对碳纤维增强树脂复合材料板中微小基体裂纹个数进行精确评估。

适用于斜拉索的智能混杂纤维复合材料的研究

基于纤维混杂的复合规律,阐述了适合斜拉索的智能混杂纤维复合材料的设计过程。在拉挤工艺过程中将光纤光栅同混杂纤维一起固化成型,形成具有自监测功能到智能复合材料。制作了3根智能杆,埋入4个光栅,通过用SEM观察以及光纤光栅能谱仪分析,光纤光栅同基体界面结合情况良好,成活率为100%,光纤布拉格光栅的中心波长与应变的相关系数均达0.999以上,没有迟滞现象,存在很好的线性关系,其中一根光纤光栅的应变灵敏系数为1.1pm/με,另外3根光纤光栅的应变灵敏系数均为1.2pm/με,与理论值1.22pm/με相吻合。说明该成型工艺适合制备适合斜拉索的智能混杂纤维复合材料。

GFRP封装光纤光栅应变传感器疲劳性能研究

针对光纤光栅传感器疲劳性能不佳制约其工程化应用的问题,该文对一种高疲劳玻璃纤维增强聚合物(glassfiber reinforced plastic,GFRP)封装的光纤光栅应变传感器进行疲劳性能研究。首先,介绍该传感器的结构型式,并进行静态性能标定。然后,通过疲劳实验研究传感器在长期荷载作用下的疲劳性能,设置应变为10 000,8 000,7 000,6 000,2 000με,采用等幅正弦波加载方式,加载频率为10 Hz。实验结果表明:传感器的非线性误差均小于2%,重复性误差均小于0.5%,灵敏度系数略有波动,其值均小于2%,在6 000με条件下疲劳寿命可达200万次以上。传感器各项性能参数满足结构长期安全监测需求,具有较高的抗疲劳能力。最后给出的传感器疲劳寿命曲线,可为传感器剩余寿命预报及传感器的更换提供参考。

基于FBGs的快速和常规固化环氧树脂基复合材料的固化残余应变研究

在纤维增强树脂基复合材料的固化过程中,由于纤维与树脂的热膨胀系数不匹配和树脂的固化体积收缩而产生的固化残余应变对组装设计和控制复合材料的性能至关重要。概述了有损和无损检测固化残余应变的方法;采用光纤布拉格光栅分别检测了快速和常规固化环氧树脂基复合材料的固化残余应变,并结合环氧树脂的流变性对其应变历史进行了分析研究。10层碳纤维单向布增强环氧树脂基复合材料的温度和应变历史表明,固化温度在80℃时,快速和常规固化复合材料第5层的固化反应放热峰值温度分别为133. 7℃和106. 3℃,快速和常规固化复合材料第5层的固化残余应变分别为-4074. 7με和-2660. 8με。

不同增强方式下泡沫夹芯复合材料三点弯曲性能研究

研究了缝合及加强筋增强方式下泡沫夹芯复合材料的三点弯曲性能。采用万能试验机分别进行了缝合与未缝合碳纤维、玻璃纤维、玻碳混杂纤维泡沫夹芯复合材料的三点弯曲实验,分别得出各自的载荷-挠度曲线,再引入加强筋的方式进一步研究缝合碳纤维泡沫夹芯复合材料的弯曲性能。结果表明,玻碳混杂纤维泡沫夹芯复合材料较玻璃纤维泡沫夹心复合材料性能有所提升;引入加强筋会使缝合碳纤维泡沫夹芯复合材料的弯曲强度从17.79 MPa增大到37.47 MPa,且随着加强筋数量增多,缝合碳纤维泡沫夹芯复合材料的弯曲性能得到提升;在加强筋数量相同(2根)的情况下,加强筋平行铺放时弯曲性能最好,弯曲强度达到46.96 MPa,20°交叉铺放时次之,十字铺放时最差。

碱性环境下不同基体材料GFRP筋的拉伸性能试验研究

玻璃纤维增强聚合物(Glass Fiber Reinforced Polymer,简称"GFRP")筋作为一种替代钢筋的新型建筑材料已在混凝土结构中开始使用,研究在模拟混凝土的碱性溶液中,不同基体材料的GFRP筋在90 d浸泡周期内的腐蚀机理、破坏机理及拉伸强度、弹性模量等拉伸力学性能的变化规律。试验结果表明:两种基体材料GFRP筋的典型破坏形式大致相同,均为丝束状炸开的脆性破坏;基体材料为不饱和聚酯树脂基的GFRP筋的拉伸强度会不断降低,弹性模量前期稍有增长,后期也不断降低,最终浸泡周期达到90 d时,其拉伸强度和弹性模量的衰减均低于标准的最低要求;基体材料为乙烯基酯树脂的GFRP筋的拉伸强度会不断降低,但衰减速率要低于基体材料为不饱和聚酯树脂的GFRP筋,而弹性模量变化并不明显,最终浸泡周期达到90 d时,抗拉强度和弹性模量均满足标准规定的最低要求。

体外预应力纤维增强树脂基复合材料筋混凝土结构研究进展

本文从纤维增强树脂基复合材料(FRP)筋、关键技术和构件三个主要方面综述了体外预应力FRP筋混凝土结构的研究成果。首先,介绍了预应力FRP筋拉伸性能和长期性能,给出了面向设计的FRP筋蠕变断裂应力值、松弛率及疲劳最大应力和应力幅限值。阐述了预应力FRP筋三种主要锚固技术的优缺点和减小锚固端应力集中的方法,重点介绍了近年来新开发的复合材料夹片锚具,其锚固效率系数高于90%;同时,基于转向FRP筋力学性能试验结果,建议转向半径不宜小于FRP筋半径的200倍,转向角度不宜大于5°。梳理了体外预应力FRP筋混凝土构件的试验研究结果(单调加载、长期持荷和循环加载),介绍了国内外规范中的设计方法,并基于既有文献中42根梁的试验结果评价了规范中计算方法的精度,验证了我国规范GB 50608−2020中体外预应力FRP筋混凝土结构设计计算方法的准确性。本综述将对体外预应力FRP筋混凝土结构的推广应用起积极推动作用。

玻璃纤维复材筋在高温氯盐环境下拉伸力学性能试验研究

玻璃纤维增强聚合物（Glass Fiber Reinforced Polymer,简称GFRP）筋作为一种替代钢筋的新型工程材料已在混凝土结构中开始使用,对高温氯盐溶液中两种基体树脂的GFRP筋在90 d浸泡周期内的腐蚀情况、破坏机理及拉伸力学性能指标的变化规律进行研究。试验结果表明,浸泡前后GFRP筋外观并无太明显的变化,质量变化均在2%之内,说明高温氯盐溶液对GFRP筋的腐蚀不大。两种基体材料GFRP筋的典型破坏形式大致相同,均为丝束状炸开的脆性破坏。在90 d的浸泡周期下,两种基体材料GFRP筋的拉伸强度变化略有不同,但强度衰减均在15%以内,且浸泡前后筋材的拉伸强度值仍可满足相关标准的要求;而弹性模量变化规律相似,高温氯盐溶液对其影响不大,模量衰减均在2%以内,且浸泡前后筋材的弹性模量值仍可满足相关标准的要求。由此可知,氯盐溶液对GFRP筋的拉伸力学性能影响不大,GFRP筋在氯盐环境的工程应用中具有良好的耐久性能。

偏心受拉作用下预应力CFRP筋-型钢混凝土构件抗裂试验

为解决我国型钢混凝土桁架转换层拉杆及低层角柱在正常使用阶段易出现大面积拉裂缝的问题,以轻质高强、防腐的碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)筋为预应力筋,提出可有效控制裂缝的预应力CFRP筋-型钢混凝土结构体系,并对其偏心受拉作用下的抗裂性能进行系统研究。以预应力水平、偏心距、纵筋直径及型钢翼缘厚度为主要参数制作11个构件,通过自行研发的拉-压转换桁架实现偏拉加载。结果表明:引入CFRP筋后CFRP筋-型钢混凝土构件抗裂度大幅提升,相较于普通偏拉构件,预应力大偏拉构件开裂荷载提高了64.8%~102.3%,预应力小偏拉构件提高了61.7%~117%,其抗裂性能与预应力水平、纵筋直径和型钢翼缘厚度正相关,与偏心距负相关。参照组合结构设计规范,提出构件开裂阶段中和轴的三种位置分布,并推导出开裂荷载公式,与试验值比较吻合度较高,可为其他复合材料筋在预应力偏拉体系的应用提供参考。

考虑拉伸刚化效应的FRP筋/混凝土轴拉构件变形计算方法

考虑拉伸刚化效应是精确计算纤维增强树脂复合材料(FRP)筋/混凝土构件变形和裂缝的基础。提出了考虑拉伸刚化效应的FRP筋/混凝土拉伸构件变形计算的解析方法。首先,对修正Eligehausen黏结滑移模型(修正BPE模型)进行简化提出四线性黏结-滑移模型。根据该模型推导了拉伸构件在不同拉伸荷载阶段的FRP筋、混凝土应力和变形及黏结力和滑移量的分布表达式。结合混凝土开裂判别方法,提出了FRP筋/混凝土拉伸构件的全过程变形计算方法。通过与已有文献试验结果对比验证了本文方法的准确性。对影响拉伸刚化的一些参数进行了敏感性分析。结果表明,混凝土强度和配筋率对拉伸刚化效应影响不大,FRP筋弹性模量是影响拉伸刚化效应的主要因素。