智能自监测自修复记忆合金组合梁的制作方法

本发明涉及一种智能自监测自修复记忆合金组合梁，属于桥梁梁板领域。

背景技术：

桥梁梁板构件是桥梁上部结构主要承重构件，直接承受上部车辆传递来的车辆荷载，其使用环境复杂，长期服务，若出现严重的损伤与变形，会大大影响桥梁结构本身的稳定性与安全性，有时会带来更大的灾难事故--桥面整体垮塌。

工程中钢-混凝土组合梁普遍采用上部混凝土，下部工字钢，两者之间采用抗剪连接件连接于一体。该种方式主要存在的问题在于，传统组合梁经常发生两种疲劳破坏：混凝土梁板本身的疲劳裂缝破坏和混凝土与钢之间的抗剪连接件的疲劳断裂。

针对实际桥梁工程在使用过程中可能出现不宜继续使用的疲劳裂缝损伤或其他类型裂缝缺陷问题，本发明提出一种新型的可自监自修复内部裂缝缺陷的组合梁。

技术实现要素：

为了克服现有工程中钢-混凝土组合梁存在的上述缺陷，本发明提供一种智能自监测自修复记忆合金组合梁。

本发明采用的技术方案是：

智能自监测自修复记忆合金组合梁,包括上部混凝土板和下部工字型钢，其特征在于：还包括作为传感元件的记忆合金剪力钉以及沿梁长方向埋设在上部混凝土板内的碳纤维-记忆合金复合体，所述的记忆合金剪力钉用于连接所述的上部混凝土板和下部工字型钢。

进一步，所述的碳纤维-记忆合金复合体为驱动元件，在电流激励下用于闭合构件裂缝。

进一步，所述的记忆合金采用单程记忆效应合金，所述的单程记忆效应合金在较低温度下变形，加热后可有效恢复变形前的形状。加热条件主要是通过对记忆合金通电的方法；具体实施合金采用Ti-49.8Ni-50.2和Ti-50.8Ni-49.2。

进一步，还包括合金电阻测定电路和合金激励驱动电路，所述的合金电阻测定电路用于测定在结构使用过程中上部混凝土板内部出现疲劳裂缝的状况；所述的合金激励驱动电路用于外部对记忆合金通电加热后碳纤维-记忆合金复合体复位变形。

本发明组合梁设计采用在上部混凝土板中沿梁长度方向埋入基于碳纤维复合材料制得的记忆合金复合体，复合体采用碳纤维作为基体，主要是利用其高强度的抗拉强度，采用记忆合金作为自修复的激励器，主要是利用记忆合金在温度变化情况下(通电加热)在马氏体与奥氏体之间转换时会产生巨大的收缩应力，可以有效促使裂缝闭合。

本发明采用记忆合金制作的剪力钉作为连接组合梁上下部位的连接件，主要是利用记忆合金本身具有的超弹性特性，其具有的大应变，非线性阻尼和高弹性模量效应可以被用来制作储能器、振动控制器。同时根据合金丝的基本特性(主要是合金丝电阻随应变变化特性)，可作为传感元件实现有效自我监控。

本发明的组合梁中含有两路电路，一路为SMA记忆合金驱动电路，用于外部对记忆合金丝通电加热，促使记忆合金复合体进行复位变形，有效闭合疲劳裂缝；另一路为SMA记忆合金电阻测定电路，用于测定在结构使用过程中上部混凝土梁板内部出现疲劳裂缝的状况。

本发明通过试验得到结构变形时记忆合金的电阻变化与混凝土变形之间关系，从而得到裂缝宽度与电阻变化率之间的曲线关系，利用对SMA电阻进行检测可实现对混凝土梁损伤的无损实时监测，判断混凝土内部裂缝是否处于安全区段内；同时对梁中预先埋入的SMA合金实施相应的电压激励，在电流作用下，随着合金丝的温度升高，内部晶体状态由马氏体向奥氏体转变，在马氏体状态下产生的塑性变形随之变形并产生回复力作用于混凝土，实现混凝土裂缝的自我愈合。

与现有技术相比,本发明的优点是:

1.采用记忆合金材料制作的剪力钉作为连接组合梁上下部件的连接件，主要是因为记忆合金具有非线性超弹性特性，其本质是由应力诱发马氏体相变及其逆相变过程中的内耗引起的。在热弹性马氏体相变过程中，材料内的各个界面(孪晶面、便体界面)的滞弹性迁移需要吸收大量的能量，因而导致SMA材料的应力-应变呈非线性，产生迟滞循环效应；

2.采用SMA材料不仅利用其特有的力学特性，而且可根据记忆合金随温度、应变幅值的变化情况下，合金应变与电阻变化率之间的关系，实现了对混凝土裂缝的自我监测和自我预警；

3.采用记忆合金复合体作为复合梁的驱动元件，原因在于其在电流激励下可有效闭合构件裂缝。

附图说明

图1是本发明的组合梁的自监自修复示意图。

图2是本发明的组合梁的横断面图。

图3a和图3b分别是本发明的组合梁的激励前后混凝土裂缝变化情况。

具体实施方式

参照图1和图2，智能自监测自修复记忆合金组合梁,包括上部混凝土板1和下部工字型钢2，还包括作为传感元件的记忆合金剪力钉3以及沿梁长方向埋设在上部混凝土板内的碳纤维-记忆合金复合体4，所述的记忆合金剪力钉3用于连接所述的上部混凝土板1和下部工字型钢2。

进一步，所述的碳纤维-记忆合金复合体4为驱动元件，在电流激励下用于闭合构件裂缝。

进一步，所述的记忆合金采用单程记忆效应合金，所述的单程记忆效应合金在较低温度下变形，加热后可有效恢复变形前的形状。

进一步，还包括合金电阻测定电路5和合金激励驱动电路6，所述的合金电阻测定电路5用于测定在结构使用过程中上部混凝土板内部出现疲劳裂缝的状况；所述的合金激励驱动电路6用于外部对记忆合金通电加热后碳纤维-记忆合金复合体复位变形。

因实施操作对象的不同，选用的记忆合金金属种类和含量以及直径都有所不同，因此本实施例的实施主要包括以下两个阶段：

1、前期阶段主要是测定合金丝的材料属性，主要包括：合金丝本身特性，形状记忆合金随应变幅值变化、温度变化的力学特性，电阻特性等，具体内容如下：1)合金丝的奥氏体弹性模量、马氏体弹性模量；2)低温马氏体应力-应变曲线；3)高温奥氏体应力-应变曲线；4)不同应变下合金丝的电阻变化率；5)在电流激励加热情况下，不同应变合金丝对应产生回复应力情况。

2、后续阶段主要是进行SMA合金组合梁内部裂缝的自监自修复阶段。以钢-混凝土组合梁为例，在上部混凝土沿梁长度方向埋入SMA合金制成的结构裂缝自监测自修复的复合体，复合体在埋入前，需进行超张拉工作，预留一定的预拉应变，合金丝在常温下为马氏体，同电加热后为奥氏体。同时外接两路电路，一路为SMA材料驱动激励电路，用于记忆合金通电加热；另一路为合金电阻测定电路，用于测定混凝土梁在变形开裂过程中合金丝电阻值的变化。

本实施例采用的具体的记忆合金为Ti-49.8Ni-50.2合金丝，其参数见下表1。对于驱动激励电路采用低压直流电源，由控制模块、调压模块和整流模块组成。可调电压为：0～18V；输出电流为：0～80A。实施案例中激励电流为25A的低压直流电，不同电阻的电阻丝需配以不同的电流量。

表1Ti-49.8Ni-50.2合金丝规格及参数

进入加/卸载及激励阶段后，对埋入混凝土中的SMA-碳纤维复合体通电激励，如图3a和图3b所示为复合体激励前、后混凝土裂缝宽度的变化情况。激励后，随着合金温度的增加，合金中的马氏体相向奥氏体相转变并产生较大的回复力，该回复力作用于上部混凝土梁从而使出现的裂缝闭合。

本发明的措施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。