新型加固用智能碳纖維板及感知性能試驗

王珍珍，任　鵬，程鴻偉，朱萬旭，周　智，2，歐進萍，2

（1.大連理工大學土木工程學院，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；3.桂林理工大學，廣西 桂林 541004）

新型加固用智能碳纖維板及感知性能試驗

王珍珍1，任鵬1，程鴻偉1，朱萬旭3，周智1，2，歐進萍1，2

（1.大連理工大學土木工程學院，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；3.桂林理工大學，廣西 桂林 541004）

結合碳纖維增強樹脂的強度特性與光纖布拉格光柵的傳感特性研制開發出具有變形自感知能力的智能碳纖維復合板。在介紹內嵌光纖傳感器的碳纖維復合板制作工藝的基礎上，利用自制張拉反力架和鋼筋混凝土梁進行智能碳纖維板的感知性能試驗，獲取包括靈敏度、線性度、重復性、遲滯性以及準確度等傳感性能指標。研究結果表明：智能碳纖維板具有良好的線性度與重復性，測試精度高，是集感知和受力、功能材料和結構材料于一體的新型土木工程智能材料，既可以方便地作為混凝土結構的加固裝配件，又可作為其表面的傳感器件，具有良好的工程應用前景。

智能碳纖維復合板；混凝土結構加固；光纖布拉格光柵；制作工藝；自感知性能

0　引　言

由于服役期間使用要求的改變以及多災害和長期環境荷載作用下結構性能退化，大量混凝土結構面臨加固、修復與升級改造等工程需求，以使其自身在滿足一定可靠度下繼續服役[1]。自20世紀80年代以來，碳纖維增強塑料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）因其比強度高、耐腐蝕和疲勞、質量輕以及加工成本低等優點，成為取代鋼材的一種新型強度材料，并在混凝土結構加固領域得到廣泛應用。近年研究成果表明，對CFRP材料施加一定預應力后進行混凝土結構的抗彎加固，使其高強度的優點得以充分發揮，有效減小甚至消除應變滯后的現象，并可抑制梁的變形增長和裂縫開展，從而實現良好的加固效果。考慮預應力CFRP板及其加固構件在實際工程應用中的長期服役性能尚須進一步評估[2-3]，獲取長期且可靠的原位測試數據意義重大。

研究者通常采用位移計和電阻應變片等傳感元件進行CFRP板加固RC梁試驗[4]。試驗中可通過預應力CFRP板的應變測試得到初始預應力的損失情況和RC梁失效時CFRP強度的利用率，但對不斷涌現的新型預應力加固系統的工程應用可行性難以做出綜合評判。另外，對于實際加固后工程結構的狀態評估，也因現有傳感器缺少低成本的高耐久性封裝與布設工藝而難以實現。在結構健康監測領域，歐進萍等[5-7]提出將變形協調的纖維增強樹脂（FRP）與布拉格光纖光柵（FBG）傳感器復合，制作出FRP-OFBG智能筋，并推廣到預應力鋼絞線等工程結構監測，取得了良好的應用效果。BASTIANINI F[8]利用CFRP片材與光纖傳感器復合，用于意大利古建的加固修復。盧少微等[9-10]將FBG傳感器固化于CFRP布，將其應用到RC梁加固；利用應變監測數據與有限元分析對試驗梁的荷載效應進行了評估。針對需要拉擠成型的CFRP板，而目前少有相關智能部品的報道。

本文將CFRP的強度特性與FBG傳感探頭相融合，研制開發出基于拉擠成型工藝的智能CFRPOFBG復合板；在介紹其制作工藝的基礎上，對錨固組裝完成的4片智能碳纖維板試件進行標定試驗，獲取其自感知性能指標；最后，采用兩端夾片式錨具實施目標鋼筋混凝土梁加固并進行全過程應變測試與校核。

1　智能CFRP板的制作工藝

光纖光柵傳感器作為一種成熟技術，已廣泛應用于結構健康監測領域[11]，它不僅具備了各類光纖傳感器共有的抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、體積小、質量輕、靈活方便，適用于惡劣服役環境等特點外，同時，還具備如下優勢：1）傳感探頭結構簡單，便于形成智能材料與結構且不改變基體材料的力學性能；2）經過標定后，可實現外界參量的準分布式絕對測量；3）耐高溫，滿足智能纖維增強復合材料高溫拉擠過程自身應變狀態監測；4）測試靈敏度高，準確度高，重復性好；5）可以防止各種光強起伏引起的干擾，具有很好的可靠性和穩定性；6）復用能力，可構成各種形式的光纖傳感網絡等；7）輸出線性范圍寬、頻帶寬、信噪比高、空間分辨率高；8）與纖維增強復合材料具有天然良好的相容性，適合拉擠工藝的復合材料構件制備過程中進行埋置。

智能碳纖維增強復合板作為一類一維構件適合采用拉擠成型的工藝制作，其基本原理是將寫入光柵的光纖放入到合束盤的正中孔，隨多股連續碳纖維束一起在外力牽引下進入膠槽浸漬環氧樹脂、固化劑、促進劑等熱固性材料后,在具有固定截面形狀的加熱模具內固化成型,最后拉出模具,連續生產出線型制品。智能碳纖維板中光柵（或光柵串）的位置，數量是根據加固對象的受力情況預先設計好，在拉擠過程中標記好位置，擠壓成型的成卷智能碳纖維板在指定位置處切割即可，切割完的智能碳板將拉撥出部分光纖（30~50cm）用跳線封裝后在尾端接好跳線頭，并在光纖伸出碳板的部位做好接頭保護。采用拉擠工藝制作的智能CFRP板的優點是材料消耗低，生產成本低，適合大規模生產等，且拉擠制品具有輕質高強、絕緣性好、耐腐蝕、尺寸穩定等優勢。智能碳纖維板及制作工藝如圖1、圖2所示。

圖1　智能碳纖維復合板示意圖

2　智能CFRP板的感知性能試驗

研究表明，在不考慮溫度應變耦合作用的情況下，光纖光柵中心波長與其相應的溫度、應變有如下線性關系：

考慮到本次感知性能試驗，碳板僅僅受到逐級增加的軸向張拉力P，因此可以得到P與中心波長變化量ΔλB之間的關系：

圖2　智能碳纖維復合板制作工藝流程示意圖

式中：αε、αt——應變和溫度靈敏度系數；

ΔλB——Bragg中心波長的漂移量；

ε、Δt——相應的應變和溫度增量；

P——施加的軸向張拉力；

Ecp、Acp——碳板的彈性模量和面積；

b、h——碳板的板寬和板高。

考慮到試驗室環境溫度恒定，因此可以忽略溫度變化引起的中心波長的漂移，因此，式（3）可簡化為

本文采用4片智能碳板裝配件進行感知性能試驗。試驗前，取5塊尺寸約為600mm×50mm×2mm的試件，依據GB/T 3354——1999《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》進行力學性能測試，測試結果如表1所示。

表1　CFRP試件力學性能

感知性能測試試驗裝置包括課題組自制80t承載力張拉反力架、100 t電動液壓千斤頂、電阻應變式壓力傳感器、光纖光柵解調儀、引伸計、標準負荷測量儀等，如圖3所示。

圖3　試驗用張拉反力架示意圖

將組裝好的智能碳板組裝件安裝至反力架，并初步預緊千斤頂，調平碳板及張拉桿件，防止碳板因受力不均而發生破斷。根據標準負荷測量儀的張拉力示數，利用電動液壓千斤頂分別逐級張拉智能碳板SC-1、SC-2、SC-3、SC-4至標定荷載（見表2），每一級加載后靜置1~2min，再以相同方式逐級卸載至初始狀態，此過程重復3~5個循環。由于試驗室溫度恒定，因此可以忽略溫度變化導致的中心波長的變化。光纖光柵解調儀、引伸計數據選定動態采集模式，采樣頻率同為10Hz，得到每級荷載下對應的中心波長、碳板伸長量，從而獲取每片智能碳板的靈敏度、線性度、重復性、滯回、量程、分辨率、準確度等傳感性能指標[12]，見表3和圖4。

表2　試件匯總表

表3　各試件傳感指標匯總表

3　智能CFRP板加固混凝土梁試驗

本文采用兩端夾片式錨具錨固的智能CFRP板對一根鋼筋混凝土梁進行后張有粘結預應力加固（見圖5）。利用智能CFRP板的自感知性能對其自身在預應力張拉、放張錨固至膠層固化以及靜載破壞全過程（見圖6）的實時應力狀態進行監測，并將各階段智能CFRP板的測試結果與電阻應變片數據進行對比校核。

圖4　各組試件標定曲線

圖5　智能CFRP板加固混凝土梁實物圖

圖6　加固RC梁靜載試驗

試驗前，首先在混凝土梁底預先定位的固定端支架、張拉端支架錨固區域進行切割挖槽、基礎清理找平，并在錨固區進行機械錨栓打孔，植筋錨固；其次安裝固定端支架、張拉端支架，預緊螺栓，并安裝好千斤頂、壓力傳感器等；然后用角磨機打磨梁底粘貼碳板區域，并用丙酮清理干凈后，對擬有粘結加固梁均勻地涂抹一層建筑結構膠。

試驗分為3個階段：首先，在膠層完全固化前，采用50t電動液壓千斤頂以10kN為一步長逐級張拉智能CFRP板至設計預應力值，張拉力的數值采用壓力傳感器進行全程監控，利用光纖光柵解調儀（泰達爾公司生產的TFBFGD-9000）、電阻應變儀（江蘇東華測試DH3818）記錄各級荷載下智能CFRP板與外貼應變片的測試數據（見圖7（a））；其次，張拉完成后放張錨固、待膠層完全固化后（一般為24 h）記錄放張錨固前、后5 min，10 min，30 min、1 h，之后每隔1 h記錄智能CFRP板與外貼應變片的測試數據，獲取預應力張拉引入的初始預應力損失值（見圖7（b））；最后，進行三點加載破壞試驗，按位移加載方式，逐級加載至構件破壞，記錄全過程智能CFRP板與外貼應變片測試數據（見圖7（c））。

如表4所示，經試驗結果分析，智能CFRP板全過程應變測試數據與應變片測試數據之間的平均誤差最大僅為2.58%，滿足土木工程測試要求。

圖7　智能CFRP板與電阻應變片應變測試數據對比

表4　智能CFRP板試驗各階段誤差計算

4　結束語

本文將碳纖維增強樹脂的強度特性及光纖布拉格光柵感知特性融合，研制開發出基于拉擠成型工藝的智能CFRP-OFBG碳纖維復合板，并對其力學、感知性能進行試驗研究，取得主要結論為：

1）通過CFRP封裝的FBG傳感器跟裸光纖的傳感特性基本一致，其應變靈敏度系數為1.23pm/με。

2）智能CFRP板的量程7041~8806με，測試范圍覆蓋了70%～80%碳纖維板的極限拉應變。

3）智能CFRP板具有良好的線性度和重復性，是集感知和受力、功能材料和結構材料于一體的新型土木工程智能材料。

4）將兩端錨固的智能CFRP板裝配件與混凝土構件合理錨固，可用于預應力CFRP板加固全過程應力狀態實時監測，精度滿足土木工程應用要求。

研究表明，智能CFRP-OFBG碳纖維板的制作工藝已經可以滿足規模化連續穩定生產，在加固施工及長期服役期間均可做到“即插即用”，實時快速獲取碳板的內部應變狀態，在土木工程加固、修復及改造領域具有很好的應用前景。

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（編輯：李剛）

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

國家973計劃項目（2011CB013705）；國家863計劃項目（2014AA110401）

王珍珍（1986-），女，山東德州市人，博士，研究方向為FRP工程結構加固。

周智（1973-），男，教授，博導，研究方向為防災減災工程與防護工程。