本發(fā)明涉及建筑與橋梁結(jié)構(gòu)智能加固工程及結(jié)構(gòu)智能健康安全監(jiān)測的技術(shù)，尤其涉及碳纖維筋材以及碳纖維板與光纖光柵傳感器粘結(jié)的方法。

背景技術(shù)：

采用智能預(yù)應(yīng)力碳纖維板筋對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的技術(shù)，是利用碳纖維板筋作為預(yù)應(yīng)力筋材，通過特殊的張拉、錨固裝置，對碳纖維板筋施加預(yù)應(yīng)力并錨固于加固橋梁上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件上，與橋梁受彎受拉構(gòu)件通過環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)或混凝土固結(jié)以承載拉應(yīng)力，它可以將體外預(yù)應(yīng)力的主動加固技術(shù)的優(yōu)點與碳纖維復(fù)合材料高強(qiáng)度性能結(jié)合在一起。

目前，國外擁有運用于混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力碳纖維加固技術(shù)的企業(yè)有瑞士西卡（sika）集團(tuán)和美國辛普森(simpsonstrong-tieasialtd)，其主要產(chǎn)品是100mm或50mm寬，1～3mm厚的碳纖維矩形薄板，運用于中小跨徑橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固，但是國外預(yù)應(yīng)力碳纖維加固技術(shù)智能化，暫時還沒有查詢到相關(guān)中小橋梁結(jié)構(gòu)加固實施運用案件報道。

而國內(nèi)經(jīng)歷近十年來的運用研發(fā)，也取得了一些橋梁加固施工運用經(jīng)驗，雖然市場上預(yù)應(yīng)力碳纖維錨具及張拉裝置生產(chǎn)廠家較多，因相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)不完善，特別是智能監(jiān)控技術(shù)有待提高或解決，受不當(dāng)利益的驅(qū)使其質(zhì)量呈良莠不齊現(xiàn)象。

專利（cn105716758a）公布了“一種纖維增強(qiáng)塑料智能碳板及其制備方法”，提出了在碳板拉擠生產(chǎn)中將光纖光柵傳感器與碳纖維復(fù)合成型的方法。該專利采用單模光纖光柵傳感器植入復(fù)合時，由于光纖光柵傳感器直徑較大且線材拉剪強(qiáng)度較低，與碳纖維同步拉擠進(jìn)入模具時，因碳纖維順直排列不規(guī)則易造成光纖跳線拉剪破壞，所以容易出現(xiàn)存活率較低或光纖光柵傳感器精確度下降的現(xiàn)象。同時，由于光纖光柵傳感器橫截面積較大，植入復(fù)合后降低了碳纖維的體積含量，導(dǎo)致筋材比強(qiáng)度大幅度下降。其次，光纖光柵傳感器線材直徑較小，也為使用時碳板分切后光纖熔接帶來較大的困難。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提出了一種橋梁結(jié)構(gòu)智能加固組件，包括：碳纖維筋材，包覆著光纖光柵傳感器且與所述碳纖維筋材表面粘結(jié)的包覆部，將碳纖維筋材的兩端與梁體固定的錨固結(jié)構(gòu)，與所述光纖光柵傳感器連接的光纖光柵調(diào)解儀，接收并存儲光纖光柵調(diào)解儀采集到的碳纖維筋材的使用狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲器，通過物聯(lián)網(wǎng)獲取所述使用狀態(tài)數(shù)據(jù)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康安全分析的數(shù)據(jù)分析中心。

所述光纖光柵傳感器為平行于碳纖維受力方向布設(shè)的一根或多根寫入了一個或多個光纖光柵的多模光纖或單模光纖。

優(yōu)選的，所述光纖光柵傳感器位于兩個錨固結(jié)構(gòu)之間。

在第一實施例中，所述包覆部為包裹在所述光線光柵傳感器外側(cè)并粘結(jié)在碳纖維筋材表面的熱固性或熱塑性樹脂層。

在第二實施例中，所述包覆部位包裹在所述光線光柵傳感器外側(cè)并粘結(jié)在碳纖維筋材表面的熱熔塑膠層，所述熱熔塑膠層外包裹著與其相互粘結(jié)的熱收縮套管。

所述碳纖維筋材可以為薄板狀，其寬度為10～100mm，厚度為1～10mm，寬度和厚度比為＞10。在一優(yōu)選方案中，碳纖維筋材寬度為30～20mm，厚度為2～4mm，寬度和厚度比為＜10。所述碳纖維筋材還可以為圓柱形棒材，直徑為3～50mm。

優(yōu)選的，所述碳纖維筋材的纖維含量≥65%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)《gb50728》要求。

本發(fā)明還提出了一種將碳纖維筋材與光纖光柵傳感器復(fù)合粘結(jié)的方法，包括如下步驟：

步驟1：將纖維及增強(qiáng)樹脂放入模具中，通過擠拉復(fù)合成型法形成碳纖維筋材；

步驟2：將碳纖維筋材根據(jù)所需長度剪裁；

步驟3：在碳纖維筋材表面鋪設(shè)光纖光柵傳感器；

步驟4：再次采用擠拉復(fù)合成型法或熱熔法，使包覆層包覆在光纖光柵傳感器外側(cè)并與碳纖維筋材粘結(jié)；或者套設(shè)熱熔塑膠層和熱收縮套管，并將熱熔塑膠層熔融，使熱熔塑膠層包覆在光纖光柵傳感器外側(cè)并與碳纖維筋材和熱收縮套管粘結(jié)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具備如下的優(yōu)點：

1、本發(fā)明采用筋材寬10～100mm，優(yōu)選30～20㎜，厚為1～10mm，優(yōu)選為2～4mm的碳纖維筋（板）或直徑為3～50mm圓筋，纖維受力集中度好、張拉控制應(yīng)力大、材料利用率高；

2、單模或多模光纖光柵傳感器及匹配解調(diào)儀適用性強(qiáng)，具有較好的性價比；

3、碳纖維筋材采用二次樹脂復(fù)合粘結(jié)或熱熔塑膠熔合粘結(jié)，單?；蚨嗄９饫w光柵傳感器可靠性好、存活率高；

4、既能實現(xiàn)加固施工質(zhì)量的數(shù)據(jù)量化監(jiān)督，又能實現(xiàn)加固設(shè)計的數(shù)據(jù)量化評估及預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測，更為重要的是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測。

附圖說明

圖1為本發(fā)明第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明碳纖維筋材的第一實施例一結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明碳纖維筋材的第一實施例另一結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明碳纖維筋材的第二實施例一結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明碳纖維筋材的第二實施例另一結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明錨固結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明的應(yīng)用結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明提出的橋梁智能結(jié)構(gòu)加固組件的受力筋材采用碳纖維筋材1，光纖光柵傳感器2沿著碳纖維筋材1的軸向方向（纖維長度方向，也叫受力方向）鋪設(shè)在碳纖維筋材1的表面，通過包覆部與碳纖維筋材1粘結(jié)在一起。錨固結(jié)構(gòu)3會將碳纖維筋材1的兩端與梁體固定，光纖光柵調(diào)解儀4與光纖光柵傳感器2連接的，具有超高存儲量的存儲器5（也叫大數(shù)據(jù)存儲器）將接收并存儲各個光纖光柵調(diào)解儀采集到的碳纖維筋材1的受力使用狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后數(shù)據(jù)分析中心6通過物聯(lián)網(wǎng)7從存儲器中獲取碳纖維筋材1的受力使用狀態(tài)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，這樣既實現(xiàn)安裝現(xiàn)場的加固施工質(zhì)量的數(shù)據(jù)量化監(jiān)督，又能實現(xiàn)加固設(shè)計的數(shù)據(jù)量化評估及預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測，更為重要的是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)長期健康的遠(yuǎn)程或聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測。

在本發(fā)明中，光纖光柵傳感器2可以是平行于碳纖維受力方向布設(shè)的一根或多根寫入了一個或多個光纖光柵的單模光纖或者多模光纖，包覆部及其內(nèi)部的光纖光柵傳感器設(shè)置在錨固結(jié)構(gòu)3之間，這樣可以避免包覆層在通過錨固結(jié)構(gòu)與梁體固定時，有可能出現(xiàn)的錨固夾持壓剪破損，從而影響數(shù)據(jù)的采集的情況，而且包覆部對光纖光柵傳感器及連接線材同時實現(xiàn)復(fù)合粘結(jié)，避免常規(guī)外置傳感器錨固粘結(jié)剝離現(xiàn)象，因此，光纖光柵調(diào)解儀4可以連接在光纖光柵傳感器的端部也可以連接在中部。當(dāng)然包覆著光纖光柵傳感器的包覆部也可以與碳纖維筋材受力段等長，此時，光纖光柵調(diào)解儀與位于兩個錨固結(jié)構(gòu)3之間的光纖光柵傳感器通過跳線連接。

圖2、圖3示出了本發(fā)明第一實施例中碳纖維筋材1和光纖光柵傳感器2的固定結(jié)構(gòu)，在該實施例中，圖中示出的是2根光纖光柵傳感器2。通過二次擠拉成型復(fù)合法，使熱固性或熱塑性樹脂層8包裹著光纖光柵傳感器2，且熱固性或熱塑性樹脂層8與碳纖維筋材1粘結(jié)。當(dāng)碳纖維筋材1整體呈扁條形時，多模光纖或單模光纖光柵傳感器的長度方向與碳纖維筋材1的長度方向一致，多根光纖光柵傳感器沿著垂直與長度方向的方向間隔均勻地排布在碳纖維筋材1的表面，圖中示出的是上表面。當(dāng)碳纖維筋材1整體呈圓條形時，多模或單模光纖光柵傳感器的長度方向與碳纖維筋材1的長度方向一致，多根光纖光柵傳感器在圓周方向上間隔均勻地排布，熱固性或熱塑性樹脂層覆蓋在碳纖維筋材1的外圓周面上。

在該結(jié)構(gòu)中，將碳纖維筋材與光纖光柵傳感器復(fù)合粘結(jié)的方法，包括如下步驟：

1)先將纖維及增強(qiáng)樹脂放入模具中，通過第一次擠拉復(fù)合成型法形成碳纖維筋材；

2)根據(jù)工程需要將碳纖維筋材剪裁至需要長度；

3)在碳纖維筋材表面鋪設(shè)光纖光柵傳感器，刮抹包覆復(fù)合粘結(jié)樹脂；

4)再次采用擠拉模具復(fù)合成型，使包覆層包覆在光纖光柵傳感器外側(cè)并與碳纖維筋材實現(xiàn)粘結(jié)固化。

此方法的優(yōu)點在于碳纖維筋材體外粘錨固不影響筋材復(fù)合質(zhì)量及強(qiáng)度，可根據(jù)需要采用單模或多模光纖光柵傳感器，光纖光柵傳感器設(shè)置于兩端錨具或錨固板之間筋材受力段，不但光纖光柵傳感器外粘錨固易保障、張拉夾持壓剪無損傷、存活率高精確度好，而且實施可靠、便捷、成本可控，所以，綜合性價比好易于推廣應(yīng)用。

本實施例中進(jìn)一步的優(yōu)化方式為：碳纖維筋材表面復(fù)合粘結(jié)單?；蚨嗄９饫w光柵傳感器，成形后其外觀既可以是寬度方向上下平行的矩形，也可以是寬度方向局部凸起的方形或?qū)挾确较虺蕡A弧形狀。同時，碳纖維筋材還可以上下兩個表面都復(fù)合粘結(jié)單模或多模光纖光柵傳感器。

圖4、圖5示出了本發(fā)明第二實施例中碳纖維筋材1和光纖光柵傳感器2的固定結(jié)構(gòu)，在該實施例中，圖中示出的是2根光纖光柵傳感器2。碳纖維筋材1外壁上由內(nèi)至外包裹著熱熔塑膠層9和熱收縮套管10，熱熔塑膠層9采用的是熔點較低的內(nèi)熱收縮套管，其熔點低于外熱收縮套管，而外熱收縮套管為采用pe、eva、pvc、pet當(dāng)中的之一或兩種以上制成的熱塑性樹脂薄膜。無論碳纖維筋材1是扁平條形還是圓柱形，熱熔塑膠層和熱收縮套管都依次整個包裹碳纖維筋材1的四周外壁上。

在該結(jié)構(gòu)中，將碳纖維筋材與光纖光柵傳感器粘結(jié)錨固的方法，包括如下步驟：

1)也是先將纖維及增強(qiáng)樹脂放入模具中，通過擠拉復(fù)合成型法形成碳纖維筋材；

2)根據(jù)工程需要將碳纖維筋材剪裁至需要長度；

3)接著在碳纖維筋材表面鋪設(shè)光纖光柵傳感器，并采用粘結(jié)劑局部粘結(jié)固定；

4)外套設(shè)內(nèi)熱熔膠層和外熱收縮塑膠雙層套管，采用外加熱方法使內(nèi)熱熔膠層熔融后實現(xiàn)光纖光柵傳感器外側(cè)與碳纖維筋材粘結(jié)錨固，外熱收縮塑膠層受熱后快速收縮包覆壓貼，從而實現(xiàn)外置光纖光柵傳感器與碳纖維筋材粘結(jié)錨固。

此方法的優(yōu)點在于碳纖維筋材體外粘結(jié)不影響筋材復(fù)合質(zhì)量及強(qiáng)度，可根據(jù)需要采用單模光纖或多模光纖光柵傳感器；由于外層熱塑性樹脂具備較好的強(qiáng)度和韌性，不但對碳纖維有防穿刺、防劃傷破壞等保護(hù)功能，而且當(dāng)兩端錨具對碳纖維筋材張拉咬合夾持時，對光纖也有較好的防穿刺保護(hù)功能，所以，光纖既可設(shè)置于兩端錨具或錨固板之間筋材受力段，也可以按筋材通長布置。此方法進(jìn)一步的優(yōu)點在于不但光纖光柵傳感器粘結(jié)錨固易保障、存活率高、精確度好，相對于前一種方法更具有實施便捷、質(zhì)量可靠、成本低廉等優(yōu)勢，所以，綜合性價比好，更具備推廣應(yīng)用價值。

更進(jìn)一步的優(yōu)選實施方式是：在第一、二實施例中，單模光纖或多模光纖光柵傳感器外表面，鋪設(shè)覆蓋一層雙向纖維薄網(wǎng)格布，其寬度為筋材復(fù)合粘結(jié)后的寬度或圓周長相等，長度為大于光纖光柵傳感器長度。其作用為通過筋材寬度或圓周等長纖維（橫向），對光纖光柵傳感器與筋材復(fù)合粘結(jié)從點粘結(jié)過渡為面粘結(jié)，不但可提高粘結(jié)質(zhì)量，更可提高了光纖光柵傳感器對筋材應(yīng)力應(yīng)變的感知精確度。

在上述實施例中，碳纖維筋材1的纖維含量大于等于65%，且當(dāng)碳纖維筋材1采用筋板狀時，其長度根據(jù)具體施工情況而定，其寬度為10～100mm，優(yōu)選20㎜，厚度為1～10mm，優(yōu)選為2.5mm，寬度和厚度比為3～100，優(yōu)選為8。

圖6、圖7示出了本發(fā)明應(yīng)用在橋梁t梁結(jié)構(gòu)上的具體應(yīng)用實例。實例中圖6示出了一條預(yù)應(yīng)力碳纖維張拉錨固結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置在t梁左端上的由外至內(nèi)依次為千斤頂11、反力架12、張拉端鎖固座14、通過膠錨螺釘13與梁體17固定連接的張拉端底板15及碳纖維錨具3、碳纖維筋材1；t梁右端上的由內(nèi)至外依次為碳纖維錨具3、固定端鎖固座14、通過膠錨螺釘13與梁體17固定連接的固定端底板16，碳纖維筋材1外露表面有按第一或二實施例復(fù)合粘結(jié)的光纖光柵傳感器2。

安裝于反力架12前端的千斤頂11通過牽引螺栓連接碳纖維錨具3，對碳纖維筋材1實施預(yù)應(yīng)力張拉，張拉控制應(yīng)力達(dá)到設(shè)計要求后，安裝鎖固座14并采用螺母鎖固，鎖固座14通過螺釘、銷鍵或凹槽與底板15、16連結(jié)，底板15、16通過膠錨螺釘13與梁體17固定連接并傳遞新增的張拉應(yīng)力。光纖光柵傳感器2與碳纖維筋材1復(fù)合粘結(jié)錨固可靠性好、受力變形同步伸長，當(dāng)外接解調(diào)儀的光源進(jìn)入光纖光柵傳感器，其光的中心波長受筋材1及傳感器2的受力變形而產(chǎn)生變化，通過監(jiān)測這種變化從而得到筋材1的應(yīng)力應(yīng)變是否滿足加固設(shè)計及施工質(zhì)量要求，實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力碳纖維智能張拉施工過程及質(zhì)量的數(shù)據(jù)化監(jiān)管。

圖7示出了在橋梁t梁結(jié)構(gòu)上的具體應(yīng)用實例。實例中t梁結(jié)構(gòu)17底部設(shè)置三條預(yù)應(yīng)力碳纖維筋材1，當(dāng)加固施工完成后通車運營（或加載試驗）時，t梁結(jié)構(gòu)17自然下?lián)咸祭w維筋材1與光纖光柵傳感器2同步變形伸長，外接解調(diào)儀感知光源的中心波長產(chǎn)生變化，通過監(jiān)測這種變化從而得到筋材1的應(yīng)變和t梁結(jié)構(gòu)的撓度變形，將解調(diào)的光波曲線進(jìn)行數(shù)字化處理并壓縮貯存，通過物聯(lián)網(wǎng)傳送至數(shù)據(jù)分析中心，從而實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)加固效能的評定。

橋梁結(jié)構(gòu)加固構(gòu)件均為被損壞或易損壞構(gòu)件，采用智能結(jié)構(gòu)加固組件加固橋梁結(jié)構(gòu)，利用碳纖維筋材1與光纖光柵傳感器2復(fù)合粘結(jié)后的智能特征實現(xiàn)長期監(jiān)測，不但可監(jiān)測碳纖維筋材1的預(yù)應(yīng)力松馳狀況，而且，還能實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)測。

如圖6、圖7所示，錨固結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在張拉端的張拉端錨固板11，由外至內(nèi)依次將碳纖維筋材1一端與張拉端錨固板11固定連接的千斤頂13、反力架14、張拉端鎖固座15、張拉端錨具16，設(shè)置在固定端的固定端錨固板12，由外至內(nèi)依次將碳纖維筋材1的另一端與固定端錨固板12固定連接的固定端鎖固座17、固定端錨具18，張拉端錨固板11和固定端錨固板12通過膠錨螺釘19與梁體20固定連接。為了優(yōu)化及提高本發(fā)明的實施運用效果，在其它實施例中技術(shù)特征相同，不同之處在于：碳纖維筋材1復(fù)合粘結(jié)的光纖光柵傳感器2為平行于碳纖維受力方向布設(shè)的兩根或多根寫入了一個或多個光纖光柵的單模光纖或者多模光纖。

以上具體實施例僅用以舉例說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的構(gòu)思下可以做出多種變形和變化，這些變形和變化均包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。