基于碳纖維傳感自監(jiān)測(cè)frp混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的研究

基于碳纖維傳感自監(jiān)測(cè)frp混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的研究

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1、摘要基于碳纖維傳感的自監(jiān)測(cè)FRP混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究碩士研究生:王紅濤摘要導(dǎo)師:楊才千副教授碳纖維不僅具有高強(qiáng)度、高彈模、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn),而且還具有導(dǎo)電性和壓阻效應(yīng)。壓阻效應(yīng)使碳纖維作為結(jié)構(gòu)材料的同時(shí),也具有潛在的自傳感功能。但碳纖維是一種完全線彈性材料,存在比較嚴(yán)重的“脆性”破壞,通過(guò)纖維間的混雜可以得到類(lèi)似于普通低碳鋼材的“偽屈服”現(xiàn)象,克服碳纖維復(fù)合材料的“脆性”破壞行為。本文首先介紹了碳纖維壓阻效應(yīng),詳細(xì)研究了碳纖維的傳感性能及其在混凝土結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。其中碳纖維傳感在本文中分為兩個(gè)方面:一是碳纖維束傳感器,此時(shí)碳纖維束不具備作為結(jié)構(gòu)

2、材料的承載作用,只被用作傳感;二是自傳感碳纖維布,并與玄武巖纖維布混雜,此時(shí)碳纖維作為結(jié)構(gòu)材料的同時(shí),也具有傳感功能。然后,研究了長(zhǎng)標(biāo)距碳纖維傳感器的應(yīng)變監(jiān)測(cè)性能,其中碳纖維傳感器由碳纖維束和測(cè)量電極構(gòu)成,并經(jīng)樹(shù)脂浸漬、固化而成。通過(guò)往復(fù)拉伸試驗(yàn),得到了穩(wěn)定的碳纖維傳感器標(biāo)定系數(shù),其值在2.1.3.1范圍之間;電阻變化率△剛&和應(yīng)變之間的線性度良好,線性擬合度均超過(guò)0.992。同時(shí),研究了長(zhǎng)標(biāo)距碳纖維傳感器在混凝土梁上的應(yīng)用,采用定點(diǎn)粘貼和全面粘貼兩種方式對(duì)RC梁進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè),并對(duì)兩種傳感器布設(shè)方式進(jìn)行了比較;試驗(yàn)結(jié)果表明:定點(diǎn)粘貼和全面粘貼兩種布置

3、方式均能對(duì)RC梁的開(kāi)裂、鋼筋屈服等損傷進(jìn)行準(zhǔn)確的捕捉。其中,全面粘貼布置時(shí)長(zhǎng)標(biāo)距碳纖維傳感器電阻變化率較大,且對(duì)RC梁裂縫出現(xiàn)及開(kāi)展更為敏感;而定點(diǎn)粘貼布置時(shí)長(zhǎng)標(biāo)距碳纖維傳感器可實(shí)現(xiàn)標(biāo)距長(zhǎng)度內(nèi)平均應(yīng)變的監(jiān)測(cè),線性度和穩(wěn)定性更好,測(cè)量結(jié)果與長(zhǎng)標(biāo)距FBG傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好。最后,在混雜纖維傳感原理的基礎(chǔ)上,研究了碳纖維和玄武巖纖維混雜片材的力學(xué)和自傳感性能,及其在混凝土結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。通過(guò)混雜不僅能提升復(fù)合材料的力學(xué)性能,同時(shí)還能改善碳纖維的傳感性能,測(cè)量混雜復(fù)合材料電阻變化可定性地反映其應(yīng)變和損傷狀況。碳纖維和高延性玄武巖纖維的混雜,不僅能提高混雜效

4、果和經(jīng)濟(jì)性,而且還能利用玄武巖纖維的電磁屏蔽及非導(dǎo)電特性對(duì)碳纖維起到良好的保護(hù)作用。在此基礎(chǔ)上,采用預(yù)應(yīng)力混雜纖維布對(duì)RC梁進(jìn)行抗彎加固。通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力,提高了纖維的利用率和碳纖維自監(jiān)測(cè)功能以及混凝士梁的加固效果,加固梁的開(kāi)裂荷載、屈服荷載和極限荷載均有大幅的提高:其中開(kāi)裂荷載提高了44%以上,屈服荷載提高了26%以上,極限荷載相應(yīng)的提高了36%以上。試驗(yàn)結(jié)果表明:RC梁整個(gè)加載過(guò)程中出現(xiàn)的混凝土開(kāi)裂、混雜纖維板滑移、鋼筋屈服和纖維斷裂等損傷階段均能被準(zhǔn)確的捕捉:混凝土開(kāi)裂、鋼筋屈服時(shí)電阻變化率曲線出現(xiàn)拐點(diǎn);混雜纖維板滑移時(shí)電阻變化率增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩:纖維

5、斷裂時(shí)電阻變化率出現(xiàn)火幅階躍,此時(shí)加I州梁的承載力相麻的下降,此外,加同梁的應(yīng)變和撓度與混雜纖維布的電阻變化率有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。上述試驗(yàn)研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)RC加I司梁的分布式、階段性自監(jiān)測(cè)的功能,提高了碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用安全性以及使J}j附加值。關(guān)鍵詞:自監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu),碳纖維,混雜纖維,壓阻效應(yīng),分布式監(jiān)測(cè),預(yù)應(yīng)力加固,AbstractStudyontheSelf-MonitoringFRP-ConcreteStructuresBasedonCarbonFiberSensingCFRP(CarbonFiberReinforcedPolymer)compo

6、sitesarecharacterizednotonlybyhighstrength,highstiffness,lowdensity,highresistancetocorrosionandgDodenvironmentalcompatibilitywithconcrete,butalsobyelectricalconductivityandpiezoresistivity.Thephenomenaofelectricalconductivityandpie—zoresistivityenablethemtobeinherentlycharacter

7、izedbyadditionaldamagedetectionandstructuralhealthmonitoringfunctions.Thus,apotentiallyfeasibleapproachisdemonstratedforthedevelopmentofthenovelsmartself-sensingCFRPmaterials.Whilecarbonfibersarecompletelylinear-elasticandbrittlematerials,thesuddenruptureandbrittlenessofCFRPcomp

8、ositescanbereducedandevenavoidedthroughhybridiz

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