关键词：
碳纤维
力阻效应模型
CFRP传感筋
CFRP筋预应力混凝土结构
实时在线监测
摘要：
复合材料通常作为大型工程中重要的结构承载部件,其服役的健康状态是保障结构在生命周期中的安全性、可靠性、稳定性的首要因素。传统的结构健康监测方法通过埋设传感元件对结构的安全性能进行预警监测,这样会破坏结构或构件材料的完整性,从而大大降低复合材料的力学性能;而无损检测方法操作复杂,工作量偏大,测试周期较长,且难以实现全场域、全时域连续监测。因此,探索一种利用结构材料自身传感特性,实现针对特定结构/构件准确、可靠、便捷、实时、且贯穿全寿命服役进程的结构健康检测方法,是现代工程结构中重大需求之一。碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reifoced Polymer Composites,CFRPs)不仅具有比强度高、耐腐蚀等承载与耐久特性,还具有较好的自感知传感特性,是实现这一目标潜在的理想材料。本研究依托于国家自然科学基金项目“基于碳纤维材料的预应力混凝土结构自感知特性及其应用研究”(项目编号:51478209)。首先通过理论推导,建立CFRP的力阻效应模型,应用文献中的数据和本文试验结果对其准确性和可靠性进行了验证;其次,以该理论模型为依据,通过多因素优化对比试验,探索了制备工艺、碳粉改性、电极布置对CFRP筋承载和传感特性影响,获得了承载性能优良、传感特性稳定的CFRP传感筋;最后,将CFRP传感筋分别作为混合配筋抗弯梁的部分受拉承载筋和预应力混凝土梁的预应力筋,通过梁加载结构试验,测定、分析CFRP筋的实时电阻变化响应过程参数,以对CFRP筋自身及周围结构服役状态进行准确、实时监测。主要研究结果如下:(1)力阻效应模型的建立与验证。基于弹性应变能理论和复合材料混合定律推导得到CFRP筋结构的总应变能;基于电子的麦克斯韦速度分布规律和运动学方程推导无源静电场中CFRP复合材料的总电势能方程;根据汤姆逊定理和变分原理建立了CFRP材料的电导率C与应变ε本构关系的力阻效应模型。采用Matlab的数值拟合方法对该模型进行拟合分析,拟合结果与文献数据和本文中CFRP筋传感性能试验数据具有较好的一致性,可决系数均值为0.974,表明力阻效应模型具有较高的准确性与可靠性。基于模型推导出CFRP的轴向应变与电阻值的分段方程,灵敏度-应变模型存在凹曲线、直线、凸曲线三种曲线类型;应用试验数据对分段方程进行了验证,分析了不同曲线类型产生的原因,为本研究中传感性能试验开展提供了理论依据。(2)CFRP筋与结构间应变传递机理分析。从CFRP与混凝土结构间相互作用机制出发,推导二者间的应变传递机理,获得了有效粘结区间以及应变传递效率,为CFRP筋传感功能区间及电极设置提供了理论依据;参照混凝土设计规范与美国混凝土梁设计标准,根据“等强替换”原则,分别按等强度和等弹性模量换算方法设计混合配筋梁,发现采用CFRP筋替代部分钢筋的混合配筋梁承载力和跨中挠度与钢筋混凝土梁相比无明显性能退化。(3)CFRP传感筋的制作与性能改进试验研究。分别采用真空工艺、刷胶工艺、辊挤工艺制作了CFRP传感筋,通过单向拉伸试验比较了弹性模量、线性度、灵敏度等力学性能和传感特性的关键参数。结果表明:辊挤成型工艺具有更好的承载效率和传感稳定性。通过在树脂中均匀分散质量占比为6%的碳粉导电相,能有效提高锟挤工艺CFRP筋的传感灵敏度,减小锟挤工艺CFRP筋导电率离散性。通过6%碳粉改性的CFRP筋静力拉伸和循环加载试验,得到弹性模量、线性度、重复性、灵敏度指标,进一步证明了其可作为承载部件和传感元件的可靠性。(4)CFRP筋传感特性的标定、校准与调试。引入光纤测试技术,通过合理布置光纤测点、全面粘贴光纤封装、设置铜箔区间电极,构建了CFRP-OFBG组合传感筋。CFRP-OFBG组合传感筋拉伸试验结果表明:通过铜箔电极电信号得到的CFRP电阻变化与光纤光栅测得的应变具有一致的对应关系,可实现CFRP传感筋自感知、自监测的功能。试验结果还显示,光纤停止监测工作的时间远早于CFRP筋断裂,即使在光纤破坏后,CFRP筋仍然能保持高精度传感功能。由此可见,独立应用CFRP筋完全可以实现在高应力、复杂环境条件下进行高精度、高可靠的传感监测。(5)CFRP传感筋的应用研究。为了检验CFRP传感筋在实际工程应用中高应力、复杂环境条件下传感监测功能的可行性和准确性,将CFRP传感筋作为混合配筋抗弯梁的部分受拉承载筋进行梁加载试验。结果表明,通过测量梁结构内部CFRP筋各电极区间的实时电阻响应,可以实现对筋材自身受力和应变状态自感知,以及对梁结构对应区段的钢筋屈服、荷载分布、裂缝开展、筋材断裂的损伤自监测和预警。进一步将CFRP传感筋作为预应力混凝土试验梁的预应力筋,在充分发挥CFRP结构材料高强度力学特性的同时,实现了对预应力筋自身和预应力混凝土梁结构的应力状态监测和结构健康预警。
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