新型加固用智能碳纤维板及感知性能试验

王珍珍，任　鹏，程鸿伟，朱万旭，周　智，2，欧进萍，2

（1.大连理工大学土木工程学院，辽宁 大连 116024；2.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；3.桂林理工大学，广西 桂林 541004）

新型加固用智能碳纤维板及感知性能试验

王珍珍1，任鹏1，程鸿伟1，朱万旭3，周智1，2，欧进萍1，2

（1.大连理工大学土木工程学院，辽宁 大连 116024；2.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；3.桂林理工大学，广西 桂林 541004）

结合碳纤维增强树脂的强度特性与光纤布拉格光栅的传感特性研制开发出具有变形自感知能力的智能碳纤维复合板。在介绍内嵌光纤传感器的碳纤维复合板制作工艺的基础上，利用自制张拉反力架和钢筋混凝土梁进行智能碳纤维板的感知性能试验，获取包括灵敏度、线性度、重复性、迟滞性以及准确度等传感性能指标。研究结果表明：智能碳纤维板具有良好的线性度与重复性，测试精度高，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智能材料，既可以方便地作为混凝土结构的加固装配件，又可作为其表面的传感器件，具有良好的工程应用前景。

智能碳纤维复合板；混凝土结构加固；光纤布拉格光栅；制作工艺；自感知性能

0　引　言

由于服役期间使用要求的改变以及多灾害和长期环境荷载作用下结构性能退化，大量混凝土结构面临加固、修复与升级改造等工程需求，以使其自身在满足一定可靠度下继续服役[1]。自20世纪80年代以来，碳纤维增强塑料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）因其比强度高、耐腐蚀和疲劳、质量轻以及加工成本低等优点，成为取代钢材的一种新型强度材料，并在混凝土结构加固领域得到广泛应用。近年研究成果表明，对CFRP材料施加一定预应力后进行混凝土结构的抗弯加固，使其高强度的优点得以充分发挥，有效减小甚至消除应变滞后的现象，并可抑制梁的变形增长和裂缝开展，从而实现良好的加固效果。考虑预应力CFRP板及其加固构件在实际工程应用中的长期服役性能尚须进一步评估[2-3]，获取长期且可靠的原位测试数据意义重大。

研究者通常采用位移计和电阻应变片等传感元件进行CFRP板加固RC梁试验[4]。试验中可通过预应力CFRP板的应变测试得到初始预应力的损失情况和RC梁失效时CFRP强度的利用率，但对不断涌现的新型预应力加固系统的工程应用可行性难以做出综合评判。另外，对于实际加固后工程结构的状态评估，也因现有传感器缺少低成本的高耐久性封装与布设工艺而难以实现。在结构健康监测领域，欧进萍等[5-7]提出将变形协调的纤维增强树脂（FRP）与布拉格光纤光栅（FBG）传感器复合，制作出FRP-OFBG智能筋，并推广到预应力钢绞线等工程结构监测，取得了良好的应用效果。BASTIANINI F[8]利用CFRP片材与光纤传感器复合，用于意大利古建的加固修复。卢少微等[9-10]将FBG传感器固化于CFRP布，将其应用到RC梁加固；利用应变监测数据与有限元分析对试验梁的荷载效应进行了评估。针对需要拉挤成型的CFRP板，而目前少有相关智能部品的报道。

本文将CFRP的强度特性与FBG传感探头相融合，研制开发出基于拉挤成型工艺的智能CFRPOFBG复合板；在介绍其制作工艺的基础上，对锚固组装完成的4片智能碳纤维板试件进行标定试验，获取其自感知性能指标；最后，采用两端夹片式锚具实施目标钢筋混凝土梁加固并进行全过程应变测试与校核。

1　智能CFRP板的制作工艺

光纤光栅传感器作为一种成熟技术，已广泛应用于结构健康监测领域[11]，它不仅具备了各类光纤传感器共有的抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、质量轻、灵活方便，适用于恶劣服役环境等特点外，同时，还具备如下优势：1）传感探头结构简单，便于形成智能材料与结构且不改变基体材料的力学性能；2）经过标定后，可实现外界参量的准分布式绝对测量；3）耐高温，满足智能纤维增强复合材料高温拉挤过程自身应变状态监测；4）测试灵敏度高，准确度高，重复性好；5）可以防止各种光强起伏引起的干扰，具有很好的可靠性和稳定性；6）复用能力，可构成各种形式的光纤传感网络等；7）输出线性范围宽、频带宽、信噪比高、空间分辨率高；8）与纤维增强复合材料具有天然良好的相容性，适合拉挤工艺的复合材料构件制备过程中进行埋置。

智能碳纤维增强复合板作为一类一维构件适合采用拉挤成型的工艺制作，其基本原理是将写入光栅的光纤放入到合束盘的正中孔，随多股连续碳纤维束一起在外力牵引下进入胶槽浸渍环氧树脂、固化剂、促进剂等热固性材料后,在具有固定截面形状的加热模具内固化成型,最后拉出模具,连续生产出线型制品。智能碳纤维板中光栅（或光栅串）的位置，数量是根据加固对象的受力情况预先设计好，在拉挤过程中标记好位置，挤压成型的成卷智能碳纤维板在指定位置处切割即可，切割完的智能碳板将拉拨出部分光纤（30~50cm）用跳线封装后在尾端接好跳线头，并在光纤伸出碳板的部位做好接头保护。采用拉挤工艺制作的智能CFRP板的优点是材料消耗低，生产成本低，适合大规模生产等，且拉挤制品具有轻质高强、绝缘性好、耐腐蚀、尺寸稳定等优势。智能碳纤维板及制作工艺如图1、图2所示。

图1　智能碳纤维复合板示意图

2　智能CFRP板的感知性能试验

研究表明，在不考虑温度应变耦合作用的情况下，光纤光栅中心波长与其相应的温度、应变有如下线性关系：

考虑到本次感知性能试验，碳板仅仅受到逐级增加的轴向张拉力P，因此可以得到P与中心波长变化量ΔλB之间的关系：

图2　智能碳纤维复合板制作工艺流程示意图

式中：αε、αt——应变和温度灵敏度系数；

ΔλB——Bragg中心波长的漂移量；

ε、Δt——相应的应变和温度增量；

P——施加的轴向张拉力；

Ecp、Acp——碳板的弹性模量和面积；

b、h——碳板的板宽和板高。

考虑到试验室环境温度恒定，因此可以忽略温度变化引起的中心波长的漂移，因此，式（3）可简化为

本文采用4片智能碳板装配件进行感知性能试验。试验前，取5块尺寸约为600mm×50mm×2mm的试件，依据GB/T 3354——1999《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》进行力学性能测试，测试结果如表1所示。

表1　CFRP试件力学性能

感知性能测试试验装置包括课题组自制80t承载力张拉反力架、100 t电动液压千斤顶、电阻应变式压力传感器、光纤光栅解调仪、引伸计、标准负荷测量仪等，如图3所示。

图3　试验用张拉反力架示意图

将组装好的智能碳板组装件安装至反力架，并初步预紧千斤顶，调平碳板及张拉杆件，防止碳板因受力不均而发生破断。根据标准负荷测量仪的张拉力示数，利用电动液压千斤顶分别逐级张拉智能碳板SC-1、SC-2、SC-3、SC-4至标定荷载（见表2），每一级加载后静置1~2min，再以相同方式逐级卸载至初始状态，此过程重复3~5个循环。由于试验室温度恒定，因此可以忽略温度变化导致的中心波长的变化。光纤光栅解调仪、引伸计数据选定动态采集模式，采样频率同为10Hz，得到每级荷载下对应的中心波长、碳板伸长量，从而获取每片智能碳板的灵敏度、线性度、重复性、滞回、量程、分辨率、准确度等传感性能指标[12]，见表3和图4。

表2　试件汇总表

表3　各试件传感指标汇总表

3　智能CFRP板加固混凝土梁试验

本文采用两端夹片式锚具锚固的智能CFRP板对一根钢筋混凝土梁进行后张有粘结预应力加固（见图5）。利用智能CFRP板的自感知性能对其自身在预应力张拉、放张锚固至胶层固化以及静载破坏全过程（见图6）的实时应力状态进行监测，并将各阶段智能CFRP板的测试结果与电阻应变片数据进行对比校核。

图4　各组试件标定曲线

图5　智能CFRP板加固混凝土梁实物图

图6　加固RC梁静载试验

试验前，首先在混凝土梁底预先定位的固定端支架、张拉端支架锚固区域进行切割挖槽、基础清理找平，并在锚固区进行机械锚栓打孔，植筋锚固；其次安装固定端支架、张拉端支架，预紧螺栓，并安装好千斤顶、压力传感器等；然后用角磨机打磨梁底粘贴碳板区域，并用丙酮清理干净后，对拟有粘结加固梁均匀地涂抹一层建筑结构胶。

试验分为3个阶段：首先，在胶层完全固化前，采用50t电动液压千斤顶以10kN为一步长逐级张拉智能CFRP板至设计预应力值，张拉力的数值采用压力传感器进行全程监控，利用光纤光栅解调仪（泰达尔公司生产的TFBFGD-9000）、电阻应变仪（江苏东华测试DH3818）记录各级荷载下智能CFRP板与外贴应变片的测试数据（见图7（a））；其次，张拉完成后放张锚固、待胶层完全固化后（一般为24 h）记录放张锚固前、后5 min，10 min，30 min、1 h，之后每隔1 h记录智能CFRP板与外贴应变片的测试数据，获取预应力张拉引入的初始预应力损失值（见图7（b））；最后，进行三点加载破坏试验，按位移加载方式，逐级加载至构件破坏，记录全过程智能CFRP板与外贴应变片测试数据（见图7（c））。

如表4所示，经试验结果分析，智能CFRP板全过程应变测试数据与应变片测试数据之间的平均误差最大仅为2.58%，满足土木工程测试要求。

图7　智能CFRP板与电阻应变片应变测试数据对比

表4　智能CFRP板试验各阶段误差计算

4　结束语

本文将碳纤维增强树脂的强度特性及光纤布拉格光栅感知特性融合，研制开发出基于拉挤成型工艺的智能CFRP-OFBG碳纤维复合板，并对其力学、感知性能进行试验研究，取得主要结论为：

1）通过CFRP封装的FBG传感器跟裸光纤的传感特性基本一致，其应变灵敏度系数为1.23pm/με。

2）智能CFRP板的量程7041~8806με，测试范围覆盖了70%～80%碳纤维板的极限拉应变。

3）智能CFRP板具有良好的线性度和重复性，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智能材料。

4）将两端锚固的智能CFRP板装配件与混凝土构件合理锚固，可用于预应力CFRP板加固全过程应力状态实时监测，精度满足土木工程应用要求。

研究表明，智能CFRP-OFBG碳纤维板的制作工艺已经可以满足规模化连续稳定生产，在加固施工及长期服役期间均可做到“即插即用”，实时快速获取碳板的内部应变状态，在土木工程加固、修复及改造领域具有很好的应用前景。

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

[2]薛伟辰，曾磊.预应力CFRP板加固混凝土梁设计理论研究[J].建筑结构学报，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]王兴国，陈红强.无粘结预应力CFRP板加固混凝土梁试验研究[J].建筑结构学报（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]兰春光，刘航，周智.基于BOTDA-FBG智能钢绞线的预应力损失监测[J].土木工程学报，2013，46（9）：55-61.

[7]邓年春，欧进萍，周智.光纤光栅在预应力钢绞线应力监中的应用[J].哈尔滨工业大学学报，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]卢少微，谢怀勤.智能CFRP加固RC梁荷载效应的实时模拟与测评[J].复合材料学报，2006，23（3）：150-164.

[10]卢少微，谢怀勤.置入FBG传感器的CFRP加固RC梁在线监测技术研究[J].应用基础与工程科学学报，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]传感器主要静态性能指标计算方法：GB/T 18459——2001[S].北京：中国标准出版社，2001.

（编辑：李刚）

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

国家973计划项目（2011CB013705）；国家863计划项目（2014AA110401）

王珍珍（1986-），女，山东德州市人，博士，研究方向为FRP工程结构加固。

周智（1973-），男，教授，博导，研究方向为防灾减灾工程与防护工程。