專利名稱：一種智能frp-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種基于碳纖維分布式傳感的智能纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料(FRP) /混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)及其在土木工程中的應(yīng)用，屬于智能材料與結(jié)構(gòu)、土木工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料(FRP)具有良好的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度為普通碳鋼的5倍以上，而密度只有鋼材的1/3至1/5，且具有良好的耐腐蝕/耐久性，自開發(fā)以來有關(guān)其各項(xiàng)性能的研究和應(yīng)用一直倍受關(guān)注。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)是FRP復(fù)合材料中非常重要的一類，具有超過一般纖維材料的優(yōu)越力學(xué)性能和物化性能，密度只有普通低碳鋼的四分之一，但拉伸強(qiáng)度卻有普通低碳鋼的10倍左右，具有比普通金屬材料更高的抗疲勞性能，熱膨脹系數(shù)幾乎為零，抗腐蝕性能優(yōu)良。高強(qiáng)度碳纖維的彈性模量(230GPa)與普通低碳鋼的基本相當(dāng)，但是高彈性模量碳纖維的彈性模量可達(dá)到普通鋼鐵的3倍以上。 此外，碳纖維還具有良好的導(dǎo)電性和壓阻效應(yīng)。利用其電學(xué)性能可以制作智能傳感器，國內(nèi)外對其進(jìn)行了較多研究。如，對比文件I (Distributed sensing of RC beamswith HCFRP sensors, Proceedings of the SPIE, Vol. 5765, 2005. 5. 3 I,P376-385)報(bào)道了用碳纖維傳感器監(jiān)測混凝土梁的應(yīng)變和混凝土開裂，由于混雜了高彈性模量的碳纖維，在約4，000μ ε后高模量碳纖維開始出現(xiàn)斷裂，監(jiān)測的精度和準(zhǔn)確度下降明顯，此后的監(jiān)測主要以定性監(jiān)測為主。對比文件2 (Self-monitoring, pseudo-ductile, hybrid FRP reinforcement rods for concrete applications, Composites Science andTechnology, 61:815-23, 2001)報(bào)道了一種可用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混雜FRP筋(含有碳纖維)，混雜FRP不僅具有較好的自傳感功能，而且具有良好的“類延性；對比文件2對碳纖維未施加預(yù)應(yīng)力，在小應(yīng)變階段電阻變化率穩(wěn)定性差(甚至出現(xiàn)電阻變化率隨應(yīng)變增大而減小的現(xiàn)象)、電阻變化率小，且只含一對測量電極，因而不能進(jìn)行定量化測量和損傷定位。日本和美國在上世紀(jì)80年代末90年代初首先開展了纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)(橋梁、房屋、隧道、煙囪等)的增強(qiáng)加固技術(shù)研究，1995年前后該項(xiàng)加固技術(shù)被引入到我國，現(xiàn)已得到了比較完善的發(fā)展，在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。對比文件3(ZL201020261312. 5)報(bào)道了一種預(yù)應(yīng)力FRP筋加固的混凝土結(jié)構(gòu)件，預(yù)應(yīng)力FRP筋布置在混凝土結(jié)構(gòu)件本體上，在預(yù)應(yīng)力筋周圍設(shè)置環(huán)氧樹脂覆蓋層，在環(huán)氧樹脂覆蓋層外設(shè)置聚合物混凝土增厚層，可防止FRP筋材過早發(fā)生剝離破壞，并保證FRP筋材能夠均勻有效的傳遞荷載；對比文件4 (ZL200910232633. 4)報(bào)道了一種預(yù)應(yīng)力纖維布外粘結(jié)加固技術(shù)的錨固方法，采用分層錨固的方法降低錨固端部的預(yù)應(yīng)力，解除錨固端部不必要的負(fù)擔(dān)。除了用作結(jié)構(gòu)加固修復(fù)外，由于FRP復(fù)合材料具有良好的抗腐蝕性能，因而國內(nèi)夕卜(特別是北歐、美國等冬季需要使用大量融雪鹽的國家和地區(qū))正在積極開展用FRP復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材(如制作成FRP筋埋入混凝土)制作混凝土結(jié)構(gòu)的研究，以避免混凝土中鋼材腐蝕所帶來的危害。同時，國內(nèi)外研究者也開展了各種FRP-混凝土新型復(fù)合結(jié)構(gòu)的研究，以提高結(jié)構(gòu)的力學(xué)、防腐、耐久性等綜合性能。在FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)中，高性能FRP與混凝土緊密結(jié)合一體，共同承擔(dān)荷載。它綜合了 FRP比強(qiáng)度高、比模量大、耐腐蝕、耐疲勞和可設(shè)計(jì)強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)和混凝土抗壓強(qiáng)度高、成本低等優(yōu)勢，是一種結(jié)構(gòu)合理、施工便利、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的新型結(jié)構(gòu)形式。對比文獻(xiàn)5 (ZL200610037891. 3)報(bào)道了混雜纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制造方法，用混雜FRP層將混凝土芯包裹起來，分為主筋用FRP包覆層和箍筋用FRP包覆層，并通過濕粘結(jié)的方法與混凝土芯粘結(jié)。通過FRP層，提高了復(fù)合結(jié)構(gòu)的承載能力，提高了結(jié)構(gòu)抗腐蝕能力和耐久性。然而，對比文獻(xiàn)5所采用的高彈模的纖維價(jià)格偏高，而且FRP層將作為模板，無法施加預(yù)應(yīng)力和充分發(fā)揮FRP復(fù)合材料的高強(qiáng)度等優(yōu)異特性，造成材料性能的一定浪費(fèi)；該復(fù)合結(jié)構(gòu)只采用濕法界面粘結(jié)，在二者長期工作中存在一定的剝離隱患。FRP復(fù)合材料(包括CFRP)具有廣闊的潛在應(yīng)用前景，但在實(shí)際應(yīng)用中普遍存在以下方面問題I、力學(xué)性能方面(1) FRP與混凝土的界面間粘結(jié)效果難以得到保證，受力較大時，易出現(xiàn)滑移；(2)當(dāng)FRP用于土木工程結(jié)構(gòu)時，施加預(yù)應(yīng)力難，若無預(yù)應(yīng)力則很難發(fā)揮其高抗拉強(qiáng)度的力學(xué)性能優(yōu)勢，材料利用率低?！ぁぁ?,CFRP自傳感性能方面(I)主要集中在單種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的自傳感研究和應(yīng)用，由于碳纖維斷裂前電阻變化率比較小(通常小于1%)，且低應(yīng)變區(qū)域電阻傳感的穩(wěn)定性差；(2)目前的大量研究還停留在定性研究上，測量的精度低，穩(wěn)定性差，考慮的因素少，沒有精確定量地確立電阻變化率與結(jié)構(gòu)應(yīng)變的本構(gòu)關(guān)系；(3)不能進(jìn)行分布式(即多點(diǎn)連續(xù))測量。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)以及制造方法，以期達(dá)到提高FRP復(fù)合材料的利用率、FRP與混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)效果，并使之具有高度的耐久可持續(xù)性和智能性；解決預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力粘結(jié)損失以及預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測困難等問題。該智能結(jié)構(gòu)可用于橋梁結(jié)構(gòu)以及高層、大跨、大型復(fù)雜建筑中。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括鋼筋混凝土芯以及設(shè)置在混凝土芯表面的智能FRP層，其特征在于所述的智能FRP層由碳纖維層與位于碳纖維上下表面的非導(dǎo)電纖維層經(jīng)樹脂浸潤固化而成，在碳纖維上安裝測量電極，測量電極與碳纖維通過導(dǎo)電膠緊密結(jié)合；在所述的混凝土芯表面設(shè)置有錨固裝置，該錨固裝置包括底板、頂板、螺栓以及螺母，所述的螺栓一端設(shè)置在所述的混凝土芯內(nèi)部，所述的底板和頂板套在所述的螺栓上，所述的智能FRP層設(shè)置在所述的底板和頂板之間并通過螺母緊固。所述的非導(dǎo)電纖維層纖維為玻璃纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維、PBO纖維、Dyneema纖維或其他高強(qiáng)度纖維。所用樹脂為環(huán)氧樹脂或不飽和樹脂。一種智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征是包括以下步驟第一步、測量電極安裝對碳纖維布進(jìn)行預(yù)張拉，使碳纖維布處于伸直狀態(tài)，然后去除安裝測量電極部分碳纖維布表面的浸潤劑，拋光金屬測量電極并涂導(dǎo)電膠，將測量電極固定在碳纖維布上，使測量電極與碳纖維充分接觸粘結(jié)，用導(dǎo)線連接測量電極；第二步、智能FRP層的制備將安裝了測量電極的碳纖維布與非導(dǎo)電纖維布進(jìn)行混雜鋪設(shè)，非導(dǎo)電纖維布位于碳纖維布的上下兩側(cè)，并用樹脂進(jìn)行含浸和半固化，形成半固化智能FRP層；第三步、結(jié)構(gòu)復(fù)合對鋼筋混凝土芯底面進(jìn)行 打磨后涂一層滲透性良好的結(jié)構(gòu)性樹脂并養(yǎng)護(hù)至半干狀態(tài)，然后在半固化智能FRP層的粘結(jié)面涂一層環(huán)氧樹脂后通過兩端所粘結(jié)的鋼板施加預(yù)應(yīng)力，最后將半固化智能FRP層與鋼筋混凝土芯進(jìn)行復(fù)合和進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；第四步、機(jī)械錨固將智能FRP層的兩端用機(jī)械錨固的方法錨固在鋼筋混凝土芯的底面，切除用于張拉的粘結(jié)鋼板處的多余纖維布。測量電極用銀膠或銅膠粘結(jié)安裝，或用化學(xué)鍍、電鍍或蒸鍍的方法安裝在碳纖維布上。本發(fā)明中，智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)主要由三部分組成智能FRP層、鋼筋混凝土芯子和錨固裝置。智能FRP層主要采用碳纖維與高延性的非導(dǎo)電纖維(如玄武巖纖維、玻璃纖維)混雜。這里所提到的混雜包括兩方面的涵義。一方面是力學(xué)性能的混雜。即，通過不同種類碳纖維之間的混雜，來提高復(fù)合材料的初始彈性模量、承載能力及所需要的其他性能；當(dāng)高彈性模量纖維出現(xiàn)損傷后，其他纖維(中模量碳纖維、高強(qiáng)碳纖維或高延性纖維)可繼續(xù)發(fā)揮作用，從而使混雜纖維復(fù)合材料具有良好穩(wěn)定的二次剛度，而且其二次剛度、最大承載力及極限應(yīng)變等指標(biāo)可通過合理的混雜設(shè)計(jì)進(jìn)行有效優(yōu)化和控制。分布式測量電極在智能FRP層上的分布如圖I所示，智能FRP層的長度、寬度及兩相鄰測量電極間距離可以根據(jù)實(shí)際工況和測量需求而定。所述的智能混雜FRP層含有兩種及以上纖維，其中一種為具有壓阻效應(yīng)的碳纖維，可為高強(qiáng)度碳纖維、高彈模碳纖維或幾種碳纖維的混合；另一種為非導(dǎo)電、低成本、高延性的纖維材料，如玄武巖纖維、玻璃纖維等纖維材料。混雜比例可以根據(jù)結(jié)構(gòu)對智能FRP層的力學(xué)性能需求，依據(jù)混雜理論進(jìn)行設(shè)計(jì)；如，為降低成本和對FRP的剛度要求較低的情況，可只用一束碳纖維束使其具備自傳感功能即可，而忽略其結(jié)構(gòu)材料功能；而對于某些對強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能要求高的情況，可以大量使用碳纖維，而在碳纖維的前后面各用一層非導(dǎo)電的纖維起到絕緣即可，碳纖維非導(dǎo)電纖維的體積比可達(dá)8 :1以上，但成本亦較高。各種纖維在混雜FRP中的分布遵循一定的原則，通常情況下碳纖維位于非導(dǎo)電的纖維層之間，成三明治狀分布，如圖2所示；另外，也可以進(jìn)行碳纖維與其他纖維的纖維間混雜。另一方面是傳感性能的混雜。通過混雜低成本高延性的纖維材料(如，玄武巖纖維、玻璃纖維等纖維)，可以較好改善智能混雜FRP層的測量穩(wěn)定性，也可以很大程度的降低復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)的成本。此外，通過混雜高彈模碳纖維可以有效減小智能混雜FRP復(fù)合材料小電阻變化率所對應(yīng)的應(yīng)變范圍，同時使電阻變化率隨應(yīng)變呈階躍式變化，通過合理的混雜設(shè)計(jì)可保證每個電阻階躍與結(jié)構(gòu)的某一特定破壞階段(形式)相對應(yīng)，使智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)具有基于混凝土結(jié)構(gòu)破壞階段的預(yù)警功能?；祀s技術(shù)不僅有效避免纖維復(fù)合材料“脆性”缺陷，綜合提高了混雜纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，而且優(yōu)化了混雜纖維復(fù)合材料的自傳感功能，同時由于碳纖維的價(jià)格昂貴，混雜其他纖維也降低了智能FRP層的制作價(jià)格，使其更能廣泛地用于實(shí)際工程中。
FRP層智能化主要利用碳纖維的壓阻效應(yīng)和導(dǎo)電性，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)的需要，在FRP層安裝分布式測量電極，然后直接通過儀器可以進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。智能FRP層與混凝土結(jié)構(gòu)的界面粘結(jié)通過化學(xué)粘結(jié)，且兩端通過鋼板錨固，錨固板通常設(shè)置在結(jié)構(gòu)的兩端，可以根據(jù)復(fù)合結(jié)構(gòu)的跨度在其中間部位適當(dāng)增加錨固板的數(shù)量。錨固底板可先預(yù)制于混凝土梁的兩端，如圖3所示，這樣做既減少了施工中許多不必的程序，降低施工成本，同時更能保證施工的質(zhì)量和效果，確保其能承受相應(yīng)的荷載。同時，為了提高智能FRP層與混凝土結(jié)構(gòu)的接觸性和粘結(jié)性能，在混雜纖維浸膠后將其養(yǎng)護(hù)至半固化狀態(tài)時與混凝土芯復(fù)合。這樣便能夠充分確保智能FRP層與鋼筋混凝土芯的粘結(jié)性能，更高效地發(fā)揮FRP的高強(qiáng)特性。對智能FRP層施加預(yù)應(yīng)力時，由于智能FRP層一端已錨固于鋼筋混凝土芯的一端 部，所以只需對智能FRP層施加預(yù)應(yīng)力即可，這樣減少了施工程序，降低了施工成本，可以根據(jù)應(yīng)變量或預(yù)張拉力大小來控制預(yù)應(yīng)力的大小。同時，由于一端已經(jīng)錨固，只給另一端施加張拉力即可。預(yù)應(yīng)力的大小可以根據(jù)復(fù)合結(jié)構(gòu)的性能需求以及自傳感效果設(shè)計(jì)。而對比文件4則是對FRP纖維布的兩端施加預(yù)應(yīng)力，加熱固化后再進(jìn)行錨固，步驟多且復(fù)雜。相對于該發(fā)明專利而言，本發(fā)明專利所涉及的錨固技術(shù)之設(shè)備和操作簡單，錨固過程中預(yù)應(yīng)力損失小且制作時間短。由于智能FRP層的運(yùn)用及預(yù)應(yīng)力的施加，可以適當(dāng)減少混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的用量。根據(jù)預(yù)應(yīng)力的大小及梁的尺寸預(yù)先設(shè)計(jì)好錨固板的尺寸和開孔數(shù)量，同時如圖10及11所示在錨固板底板上表面和錨固板頂板的下表面開槽，從而在錨固智能FRP層時，增加與智能FRP層的摩擦力，同時在兩錨固板間刷結(jié)構(gòu)膠，增強(qiáng)錨固效果。根據(jù)智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)跨度的大小，可以每隔一段距離在復(fù)合結(jié)構(gòu)上增設(shè)一處機(jī)械錨固。智能FRP層兩端與鋼筋混凝土芯之間除用鋼板進(jìn)行機(jī)械錨固外還采用化學(xué)錨固，即在兩相鄰機(jī)械錨固部位之間采用化學(xué)粘接。與土木工程中經(jīng)常使用的剪切鍵連接相比，化學(xué)粘結(jié)不容易造成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力集中，使復(fù)合結(jié)構(gòu)的受力更均勻；另一方面，化學(xué)粘結(jié)所形成的致密保護(hù)層與外部耐水性良好的FRP層一起，將鋼筋混凝土與外界環(huán)境隔離開，可有效防止內(nèi)部鋼筋的腐蝕并提高復(fù)合結(jié)構(gòu)的耐久性。智能FRP層可以用于土木工程中各種受拉構(gòu)件，從而可以形成各種截面的復(fù)合結(jié)構(gòu)，如矩形截面(圖8)、箱型截面(圖9)、T形截面(圖10)、工字型截面(圖11)等。結(jié)合FRP復(fù)合材料在混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用中存在的問題，本發(fā)明提出了一種新型的智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制造方法。根據(jù)結(jié)構(gòu)的性能及設(shè)計(jì)需要，對混雜FRP層施加了相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力，除FRP層與混凝土通過結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)外，兩端通過鋼板錨固，充分利用材料的高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)；通過混雜成本低的玄武巖纖維、玻璃纖維等纖維材料，降低其成本的同時提高了復(fù)合結(jié)構(gòu)的延性；此外，本發(fā)明充分利用了碳纖維的壓阻效應(yīng)和導(dǎo)電特性，混雜FRP層具有自監(jiān)測傳感功能，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測，提高了復(fù)合結(jié)構(gòu)的附加值，從而可隨時掌握結(jié)構(gòu)狀況做出相應(yīng)的措施。這種智能復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅具有良好的增強(qiáng)與保護(hù)效果，同時FRP層可對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的實(shí)時監(jiān)測，大幅提高其承載能力、高耐久性、智能性等綜合性能及其在工程應(yīng)用中的安全性和可靠性，在土木工程特別是橋梁、高層及大型建筑中具有廣闊的應(yīng)用前景。本發(fā)明是用混雜纖維布，既作結(jié)構(gòu)材料，同時也作傳感材料，此外采用了預(yù)應(yīng)力技術(shù)有效克服了碳纖維傳感在低應(yīng)變區(qū)域傳感性能不穩(wěn)定的缺陷。本發(fā)明采用預(yù)應(yīng)力片材，同時安裝了多個測量電極，首次實(shí)現(xiàn)了智能FRP材料的分布式測量。本發(fā)明采用的是FRP片材并結(jié)合碳纖維的壓阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了復(fù)合結(jié)構(gòu)的智能化，且采用端部錨固技術(shù)確保了 FRP與混凝土結(jié)構(gòu)的可靠復(fù)合。本發(fā)明是采用智能FRP片材張拉技術(shù)與混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合開發(fā)智能復(fù)合結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵區(qū)別在于FRP片材中含有具有良好壓阻效應(yīng)的碳纖維，且布設(shè)了分布式測量電極可進(jìn)行分布式監(jiān)測和診斷。有益效果綜合力學(xué)性能改善和提高。智能FRP層與鋼筋混凝土芯粘結(jié)，通過復(fù)合智能FRP層可以大幅提高復(fù)合結(jié)構(gòu)的綜合力學(xué)性能，如承載能力(開裂荷載、屈服荷載、極限荷載 等)、二次剛度、抗疲勞、抗蠕變能力等力學(xué)性能?？垢g及耐久性能的提高。智能FRP層具有優(yōu)異的抗化學(xué)腐蝕性能，通過粘結(jié)FRP層后可有效防止智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋的腐蝕，從而提高復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性能和壽命周期。預(yù)應(yīng)力及錨固技術(shù)充分發(fā)揮了材料的性能特征。FRP復(fù)合材料具有高的抗拉強(qiáng)度，通常的粘貼無法發(fā)揮出其高抗拉強(qiáng)度高的特征，通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以充分發(fā)揮其高強(qiáng)等材料特性；而且鋼板錨固能夠防止在較大受力情況下智能FRP層與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)界面間的滑移，有效降低智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)在制作及服役過程中的預(yù)應(yīng)力損失。此外，預(yù)應(yīng)力FRP層可大幅提高復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗開裂能力和裂縫出現(xiàn)后的抗裂縫發(fā)展的能力；同時，預(yù)應(yīng)力的施加可一定程度的減少了鋼筋用量，降低成本。智能化提高了復(fù)合結(jié)構(gòu)的安全性和附加值?；谔祭w維自身的壓阻效應(yīng)及導(dǎo)電性，使FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)具有良好的自監(jiān)測功能，達(dá)到一材兩用的效果，可以大幅提高復(fù)合結(jié)構(gòu)的安全性和附加值；此外，通過預(yù)應(yīng)力和混雜非導(dǎo)電的纖維材料可以大幅改善和提高智能FRP復(fù)合材料的自傳感性能，特別是測量的穩(wěn)定性和精度。另外，通過監(jiān)測碳纖維的電阻變化，可以對智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行有效監(jiān)測。碳纖維與其他纖維的混雜，能充分發(fā)揮各種纖維的力學(xué)性能，形成有效互補(bǔ)，也更有利于智能FRP層及復(fù)合結(jié)構(gòu)的自傳感性能，同時也有效降低了 FRP的成本，使其適合廣泛用于實(shí)際工程中。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，F(xiàn)RP復(fù)合材料的一材兩用既節(jié)約了材料，降低了成本，同時又能創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。


圖I智能FRP層俯視示意圖；圖2智能FRP層的截面構(gòu)造示意圖；圖3預(yù)制混凝土梁構(gòu)造示意圖；圖4智能FRP層與預(yù)制混凝土梁的復(fù)合工藝示意圖；圖5智能FRP-混凝土復(fù)合梁構(gòu)造示意圖；圖6智能FRP-混凝土復(fù)合梁為矩形截面構(gòu)造示意圖；圖7智能FRP-混凝土復(fù)合梁為箱形截面構(gòu)造示意圖8智能FRP-混凝土復(fù)合梁為T形截面構(gòu)造示意圖；圖9智能FRP-混凝土復(fù)合梁為工字形截面構(gòu)造示意圖；圖10錨固板底板示意圖；圖11錨固板頂板示意圖；圖12實(shí)驗(yàn)中鋼筋混凝土梁截面尺寸示意圖；圖13是圖12鋼筋混凝土梁截面配筋示意圖；圖14智能FRP層、測量電極安裝示意圖；圖15是圖14的四點(diǎn)彎試驗(yàn)圖；
圖16復(fù)合梁與原梁荷載-撓度曲線比較；圖17復(fù)合梁用智能FRP混雜片材與用普通CFRP片材的自監(jiān)測性能比較；圖18復(fù)合梁I第二單元荷載-電阻變化率/應(yīng)變曲線。圖中1、測量電極，2、FRP層，3-碳纖維層，4、非導(dǎo)電纖維層，5、樹脂，6、鋼筋混凝土梁，7、螺桿，8、錨固端底板，9、張拉端底板，10、錨固端頂板，11、張拉端頂板，12、張拉錨板，13、千斤頂，14、張拉錨板下的墊塊，15、千斤頂下的墊塊，16、螺母，17、結(jié)構(gòu)膠，18、智能FRP層，19、矩形混凝土梁截面，20、箱形混凝土梁截面，21、T形混凝土梁截面，22、工字形混凝土梁截面。
具體實(shí)施例方式
(I)設(shè)計(jì)基本原則FRP材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合線彈性關(guān)系，F(xiàn)RP層的計(jì)算采用復(fù)合材料層板理論，可近似忽略耦合剛度和彎曲剛度的影響。FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的受彎設(shè)計(jì)中，除了符合鋼筋混凝土正截面受彎承載力計(jì)算的基本假定外，還對智能FRP層采用平截面假設(shè)，無界面滑移等假設(shè)。承載力可以用纖維法進(jìn)行疊加計(jì)算。FRP的破壞準(zhǔn)則采用最大應(yīng)變理論，即纖維的應(yīng)變必須小于纖維的極限應(yīng)變。智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)具體由智能FRP層、鋼筋混凝土芯、錨固裝置等三個主要部分構(gòu)成。其中，智能FRP層包括混雜FRP、測量電極等部分。(2)原材料智能FRP層若為碳纖維與非導(dǎo)電纖維的混雜FRP時，最好采用“三明治”式混雜，即將碳纖維混雜在非導(dǎo)電纖維之間，這樣有利于提高智能FRP層的測量穩(wěn)定性。所用的碳纖維可以為高強(qiáng)度(如日本T300碳纖維)、高彈模或中彈模碳纖維，以及不同種類碳纖維之間的混合。所用的非導(dǎo)電纖維一般要具有較高的強(qiáng)度、延性和韌性，如玄武巖纖維、玻璃纖維、超高模聚乙烯纖維等，推薦使用性價(jià)比高、成本較為低廉的玄武巖纖維或玻璃纖維。通過不同纖維的混雜既能保證復(fù)合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，又能使復(fù)合結(jié)構(gòu)滿足延性需求，而且由于碳纖維的導(dǎo)電性及壓阻效應(yīng)可以使智能FRP層能具有自傳感功能。FRP層間的粘結(jié)可采用環(huán)氧樹脂(如三悠浸潰膠)、不飽和聚酯樹脂或熱固性樹脂等。FRP層與鋼筋混凝土芯的結(jié)構(gòu)膠可選用環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂或熱固性樹脂。測量電極主要材料有導(dǎo)電膠、銅導(dǎo)線。導(dǎo)電膠通?？梢圆捎镁哂辛己脤?dǎo)電性的導(dǎo)電銀膠、導(dǎo)電銅膠或其他類型的導(dǎo)電膠。首先，用砂紙或其他方法去除銅導(dǎo)線表面的氧化層，然后用酒精進(jìn)行清洗后迅速安裝到FRP層上。導(dǎo)電銀膠建議采用H6/HA6型號，主劑與固化劑的配比為92:8。對于某些情況，可不安裝測量電極，則為FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)，具備同樣的力學(xué)性能，但結(jié)構(gòu)沒有智能傳感特性。錨固板采用鋼板制作，建議鋼板的厚度不小于3mm ;根據(jù)結(jié)構(gòu)的性能需求也可以選用FRP板等其他類型的板。為提高結(jié)構(gòu)的耐久性，在鋼板表面進(jìn)行防腐處理，如噴涂防銹漆等技術(shù)手段。選用高強(qiáng)度混凝土對提高復(fù)合結(jié)構(gòu)的極限承載力有益，高強(qiáng)度混凝土與智能FRP層的高強(qiáng)力學(xué)性能匹配程度更高，二者結(jié)合也更能發(fā)揮出復(fù)合結(jié)構(gòu)的性能特征。因而，可在造價(jià)許可的情況下選用較高強(qiáng)度的混凝土。(3)制造方法 I)測量電極制作。測量電極的制作過程主要包括以下步驟I、根據(jù)設(shè)計(jì)要求在需要布置測量電極的部位，首先去除該部位碳纖維表面的浸潤齊U，然后涂抹導(dǎo)電膠，導(dǎo)電膠沿碳纖維寬度方向進(jìn)行均勻涂抹；為了增大測量電極和碳纖維的接觸面以及減少測量電極和纖維之間的接觸電阻，碳纖維上下表面皆涂抹導(dǎo)電膠，同時要嚴(yán)格控制導(dǎo)電膠的寬度(通常要小于O. 5cm)，減少對混雜纖維布力學(xué)性能的影響。2、導(dǎo)電膠涂抹完畢后，平直放置經(jīng)過去除表面氧化層的導(dǎo)線，在表面放置塑料紙，避免相鄰的纖維布相互粘結(jié)，不利于分層浸膠。2)智能FRP層制作。智能FRP層的制作包括以下幾個步驟I、根據(jù)工程需要，對纖維布進(jìn)行下料，即選擇合適的碳纖維及其它纖維的種類及尺寸(長度、寬度、厚度)，將碳纖維置于其它纖維內(nèi)側(cè)，即三明治式混雜，在測量電極已制作好后對選擇的纖維進(jìn)行分層刷膠浸潰，在刷膠的過程中對纖維布施加一定的預(yù)拉力，保證纖維始終處于平直的狀態(tài)。2、刷膠完成后在纖維布的表面覆蓋一層塑料紙，再放上工程電熱墊進(jìn)行升溫養(yǎng)護(hù)，溫度設(shè)定為40°C，養(yǎng)護(hù)12h浸潰膠半固化成型以后撤除發(fā)熱墊，或在室溫下養(yǎng)護(hù)24h。測量電極的數(shù)量可以根據(jù)智能FRP層的長短、損傷定位精度等多個因素進(jìn)行考慮，通常情況下相鄰兩個測量電極之間的距離不小于20cm。3)錨固板的制作。錨固板分為端部錨板和張拉端錨板兩種。端部錨板和張拉端錨板均包括頂板和底板。錨固板內(nèi)表面制作成波紋狀(圖6和7所示)，建議波紋深為O. 2-0. 6_，可以增加智能FRP層與錨固板之間的機(jī)械鉚合能力。根據(jù)預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的尺寸以及智能FRP層的張力力度確定錨固板的尺寸(長度、寬度、厚度)以及錨固板上的開孔大小。4)鋼筋混凝土芯的制作。根據(jù)工程需要，設(shè)計(jì)適合的混凝土芯，并配置相應(yīng)的模板，在梁的兩端將錨固端底板和張拉端底板置于模板中并安裝好螺桿，螺桿一端超出底板一定的長度，用于錨固頂板；另一端在模板內(nèi)留有一定的長度，這樣做能更好的與混凝土連接。同時，將兩個底板和螺桿通過焊接或其他方式錨固于模板與鋼筋籠子上，避免在澆筑混凝土?xí)r造成兩底板和螺桿有位移上的挪動或者傾斜。根據(jù)實(shí)際條件，對鋼筋混凝土梁進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。5)智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的制作。即，將智能FRP層、鋼筋混凝土芯及錨固裝置進(jìn)行復(fù)合。預(yù)應(yīng)力混雜纖維板鋪設(shè)的主要過程如下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面打磨一錨固端底板刷膠、浸潰并緊固頂部錨板一張拉端底板刷膠并緊固錨板一張拉錨板螺栓緊固一施加預(yù)應(yīng)力(包括應(yīng)力的預(yù)張拉、涂抹結(jié)構(gòu)膠和預(yù)應(yīng)力張拉)一張拉端錨具焊接固定一預(yù)應(yīng)力放張。具體工藝如下首先，對鋼筋混凝土芯的底部進(jìn)行處理。混凝土芯在澆筑后凝固的過程中表面會有浮漿，浮漿的強(qiáng)度相對于內(nèi)部的混凝土比較低，而且其與內(nèi)部的粘結(jié)不夠牢固，因此需將梁的底部進(jìn)行打磨，將浮漿部分清除。 在智能FRP層錨固端進(jìn)行開孔，孔徑大小、數(shù)量及位置由錨固板中螺桿的大小、數(shù)量及位置確定，然后將錨固端的底板上表面、FRP層錨固端下表面刷膠，將FRP層沿孔道套于螺桿上，接著將錨固端的頂板下表面及FRP層錨固端處上表面刷膠，同時固定錨固端頂板。對智能FRP層預(yù)張拉，根據(jù)所設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力的大小或應(yīng)變的大小來確定智能FRP層張拉的位移，待張拉到預(yù)指定的位置處時，于張拉端各個螺桿處在FRP層上做好標(biāo)記，以便在FRP層張拉端處開孔。標(biāo)記做完后，卸除荷載。根據(jù)先前做好的標(biāo)記在FRP層處開孔，然后在梁底、張拉端底板及FRP層刷一層結(jié)構(gòu)膠，張拉FRP層到指定的位置，然后沿空套于錨桿上，接著在錨固端FRP層上表面及張拉端頂板下表面刷結(jié)構(gòu)膠，并固定錨固板頂板。在涂刷結(jié)構(gòu)膠的過程中要注意使結(jié)構(gòu)膠層厚度均勻一致，防止內(nèi)部出現(xiàn)空鼓現(xiàn)象。待結(jié)構(gòu)膠完全固化以后，對預(yù)應(yīng)力進(jìn)行放張，清除張拉端部的混雜纖維板，智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)制作完成?；祀s纖維層采用的是機(jī)械錨固，即采用鋼錨板進(jìn)行錨固，避免了傳統(tǒng)U型箍錨固時易出現(xiàn)錨固端剝離破壞，纖維復(fù)合材料強(qiáng)度不能充分發(fā)揮的缺點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際工程梁的長度以FRP層的長度確定是否需在跨中加錨。為了增大纖維浸潰膠與錨板之間的咬合力，在設(shè)計(jì)制作錨板的時候，在錨板表面進(jìn)行開小槽。本技術(shù)與已有的FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)相比有較大的優(yōu)勢，是一項(xiàng)創(chuàng)新的新型的智能復(fù)合結(jié)構(gòu)。實(shí)施例本次試驗(yàn)所采用的鋼筋混凝土芯的截面尺寸及配筋見圖12、13，截面尺寸為寬X高=150 X 300mm ;長度為3100mm，計(jì)算跨度為2700 ;其混凝土采用C30等級，試驗(yàn)梁底部為一排受拉鋼筋2空20,頂部架立鋼筋為2空14,箍筋采用Φ8加密區(qū)間隔90mm，非加密區(qū)間隔180mm,混凝土的保護(hù)層厚度為25mm。智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的智能FRP層粘結(jié)、測量電極安裝及四點(diǎn)彎試驗(yàn)分別如圖14和15所示，共安裝4個測量測量電極，可以對智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)域監(jiān)測和進(jìn)行損傷定位。試驗(yàn)所用的鋼筋混凝土芯為同一批次，其混凝土及各型號鋼筋的性能按照試驗(yàn)規(guī)范，通過材性試驗(yàn)獲得，如下表I所示。試驗(yàn)中所用碳纖維和玄武巖纖維的力學(xué)性能，如下表2所示。試驗(yàn)中碳纖維和玄武巖纖維的混雜方式，如下表3所示。其中FRP所用增強(qiáng)纖維及預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值如表4所示。
表I鋼筋和混凝土材性試驗(yàn)結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括鋼筋混凝土芯以及設(shè)置在混凝土芯表面的智能FRP層，其特征在于所述的智能FRP層由碳纖維層與位于碳纖維上下表面的非導(dǎo)電纖維層經(jīng)樹脂浸潤并養(yǎng)護(hù)至半固化狀態(tài)，在碳纖維上安裝測量電極，測量電極與碳纖維通過導(dǎo)電膠緊密結(jié)合；在所述的混凝土芯表面設(shè)置有錨固裝置，該錨固裝置包括底板、頂板、螺栓以及螺母，所述的螺栓一端設(shè)置在所述的混凝土芯內(nèi)部，所述的底板和頂板套在所述的螺栓上，所述的智能FRP層設(shè)置在所述的底板和頂板之間并通過螺母緊固。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的非導(dǎo)電纖維層纖維為玻璃纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維、PBO纖維或Dyneema纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征是所用樹脂為環(huán)氧樹脂或不飽和樹脂。
4.一種制造權(quán)利要求I所述的智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，其特征是包括以下步驟 第一步、測量電極安裝對碳纖維布進(jìn)行預(yù)張拉，使碳纖維布處于伸直狀態(tài)，然后去除安裝測量電極部分碳纖維布表面的浸潤劑，拋光金屬測量電極并涂導(dǎo)電膠，將測量電極固定在碳纖維布上，使測量電極與碳纖維充分接觸粘結(jié)，用導(dǎo)線連接測量電極； 第二步、智能FRP層的制備將安裝了測量電極的碳纖維布與非導(dǎo)電纖維布進(jìn)行鋪設(shè)，非導(dǎo)電纖維布位于碳纖維布的上下兩側(cè)，并用樹脂進(jìn)行含浸和半固化，形成半固化智能FRP層； 第三步、結(jié)構(gòu)復(fù)合對鋼筋混凝土芯底面進(jìn)行打磨后涂一層滲透性良好的結(jié)構(gòu)性樹脂并養(yǎng)護(hù)至半干狀態(tài)，然后在半固化智能FRP層的粘結(jié)面涂一層環(huán)氧樹脂后通過兩端所粘結(jié)的鋼板施加預(yù)應(yīng)力，最后將半固化智能FRP層與鋼筋混凝土芯進(jìn)行復(fù)合和進(jìn)行養(yǎng)護(hù)； 第四步、機(jī)械錨固將智能FRP層的兩端用機(jī)械錨固的方法錨固在鋼筋混凝土芯的底面，切除用于張拉的粘結(jié)鋼板處的多余纖維布。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征是測量電極用銀膠或銅膠粘結(jié)安裝，或用化學(xué)鍍、電鍍或蒸鍍的方法安裝在碳纖維布上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制造方法，該智能復(fù)合結(jié)構(gòu)包括智能FRP層、鋼筋混凝土芯及錨固裝置三個部分。其中，智能FRP層由碳纖維或碳纖維與其他纖維混雜后經(jīng)樹脂浸漬而成，在復(fù)合結(jié)構(gòu)中既作為結(jié)構(gòu)材料，同時也起傳感作用。智能FRP層包裹在鋼筋混凝土芯的受拉側(cè)，為更好發(fā)揮FRP高強(qiáng)度特性對智能FRP層施加一定的預(yù)應(yīng)力，智能FRP層與鋼筋混凝土芯通過樹脂粘結(jié)和錨具機(jī)械連接。該智能FRP-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅具備高承載能力、自傳感功能、優(yōu)良的耐腐蝕能力和高耐久性，而且其性能和結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。
文檔編號E04C3/26GK102900200SQ201210380940
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月9日
發(fā)明者楊才千, 焦友進(jìn), 王紅濤, 吳智深 申請人:東南大學(xué)