一种利用自传感frp筋加固的混凝土柱的制作方法
【专利说明】—种利用自传感FRP筋加固的混凝土柱
[0001]
技术领域
[0002]本发明属于工程结构加固/监测、传感技术领域，具体涉及的是一种利用自传感纤维复合(Fiber Reinforced Polymer，FRP)筋加固的混凝土柱。
【背景技术】
[0003]钢筋混凝土(RC)柱是桥梁等设施的关键部件，其震后损伤状况直接关系到公路、轻轨等城市基础设施的震后快速恢复。但是，按照目前的设计方法，地震荷载作用下易在柱脚形成塑性铰区，使结构发生较大的震后损伤，形成显著的残余变形，严重影响桥梁的震后可恢复性。例如，在1995年的Kobe地震中，没有倒塌但是因残余变形过大丧失使用功能而必须拆除的柱有100个左右。因此，如何控制结构的震后残余变形，并对残余变形和损伤进行快速评估，是提高基础设施可恢复性的关键。
[0004]目前混凝土柱的抗震加固方法很多，其中大多数集中在对混凝土柱增加约束，如在柱四周包裹套管(钢套管、纤维套管等)，提高混凝土的抗压强度和延性、有效防止纵向钢筋压曲。然而，这类加固方法使得结构在遭受中等级地震荷载时就产生较大的永久变形和损伤，不利于修复。同时，对于一些重要结构，甚至要求“大震可修”，对结构抗震性能提出了新的要求。为此，日本家村浩和等学者提出了结构“二次刚度”的概念，就是在钢筋屈服后结构仍保持稳定的“二次刚度”以控制震后残余变形。如何实现稳定的“二次刚度”成为关键。
[0005]FRP材料主要有碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)、芳纶纤维(AFRP)、玄武岩纤维(BFRP)等不同类型的纤维复合材料，它们是典型的线弹性材料，且极限应变不小于1.5%，是普通钢筋的屈服应变的7倍左右。因此，FRP材料在钢筋屈服后可为结构提供稳定的“二次刚度”。同时，光纤传感器和FRP材料容易复合形成自传感FRP材料，既保持高强的力学性能，还提供了变形监测的手段。
[0006]本发明在结合现有大量研究的基础上，采用自传感FRP筋嵌入式加固混凝土柱，利用自传感FRP筋的高强力学性能形成稳定的结构“二次刚度”，利用自传感FRP筋的自传感性能实现残余变形自监测，以满足实际工程结构的大量抗震加固需求。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种利用自传感FRP筋加固的混凝土柱。
[0008]为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现:
一种利用自传感FRP筋加固的混凝土柱，包括自传感FRP筋和柱身，所述自传感FRP筋内部设有传感光纤，所述传感光纤的一端且在所述自传感FRP筋内部设有光纤引线端部转向保护，所述自传感FRP筋安装套管，所述传感光纤与光纤引线串联，所述柱身的内部和外侧都固定有所述自传感FRP筋，所述柱身上设有混凝土保护层和基础，且所述混凝土保护层和所述基础开有槽，所述柱身外围包裹有约束材料，所述柱身上还设有纵筋和箍筋，所述槽内用粘结剂填充，所述光纤引线还与光纤解调仪连接。
[0009]进一步的，所述自传感FRP筋的内置光纤传感器采用商业单模裸光纤，传感技术采用布里渊分布式光纤传感技术(Brill1un Optical Time Domain Analysis, BOTDA)，其空间分辨率不低于0.lm ;所述自传感FRP筋的长度(该长度不包含端部转向保护的长度)不小于所述自传感FRP筋的80倍直径与2倍的所述柱身边长或直径的总和，其中，在所述基础内的埋置长度一般不小于所述自传感FRP筋的40倍直径，在所述柱身的布设长度一般不小于2倍的所述柱身边长或直径与所述自传感FRP筋的40倍直径的总和。
[0010]进一步的，所述粘结剂采用环氧树脂、环氧砂浆或其它高性能砂浆。
[0011]优选的，所述套管采用铝管，其外径为1.5倍的所述自传感FRP筋的直径，内径为1.2-1.3倍自传感FRP筋的直径，长度为1倍的所述柱身的边长或直径，在所述基础内的长度一般为0.2倍的所述柱身的边长或直径。
[0012]进一步的，所述约束材料采用钢板、钢丝网或纤维布，优选的为纤维布。
[0013]优选的，所述传感FRP筋的应变分析混凝土柱的变形和损伤，所述变形采用两部分分析方法，一部分是利用应变评估柱角区的裂缝宽度，并进一步计算裂缝导致混凝土柱的几何变形，另一部分是利用所述柱身应变直接计算混凝土柱的弯曲变形，采用虚功法，两部分变形之和就是结构的实际变形；所述损伤可以采用监测的残余应变或计算的变形作为指标进行评估，其中，残余应变导入混凝土柱的低周反复模型中可直接判定损伤。
[0014]本发明的有益效果是:
1、利用自传感FRP筋的高强力学性能对混凝土柱进行抗弯加固，实现了大量现有结构在钢筋屈服后塑性变形的有效控制，也即实现了现有结构的稳定“二次刚度”，对中震或强震下结构的可恢复性实现了量化控制，是对我国现有抗震规范的有益发展。
[0015]2、利用自传感FRP筋的自传感特性，形成加固结构的健康监测系统，实现对加固结构的正常工作状态和地震荷载下的结构性态的监测，为准确评估结构的损伤和结构修复提供了量化的依据。
[0016]3、加固和监测一体化，大大方便了施工、节约了成本，为大量基础设施的安全运营和管养提供了技术支持，具有重要的社会和经济效益。
【附图说明】
[0017]图1为本发明的自传感FRP筋结构示意图；
图2为本发明的待加固混凝土柱结构示意图；
图3为本发明的混凝土柱纵向开槽结构示意图；
图4为本发明的自传感FRP筋嵌入混凝土柱结构示意图；
图5为本发明的混凝土柱外包约束材料结构示意图；
图6为本发明的自传感FRP筋串联成结构监测系统结构示意图。
[0018]图中标号说明:1、自传感FRP筋，2、传感光纤，3、端部转向保护，4、柱身，5、基础，6、纵筋，7、箍筋，8、混凝土保护层，9、槽，10、粘结剂，11、套管，12、约束材料，13、光纤引线，14、光纤解调仪。
【具体实施方式】
[0019]下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
[0020]如图1-6所示，一种利用自传感FRP筋加固的混凝土柱，包括自传感FRP筋1和柱身4，所述自传感FRP筋1内部设有传感光纤2，所述传感光纤2的一端且在所述自传感FRP筋内部设有光纤引线13端部转向保护3，所述自传感FRP筋1安装套管11，所述传感光纤2与光纤引线13串联，所述柱身4的内部和外侧都固定有所述自传感FRP筋1，所述柱身4上设有混凝土保护层8和基础5，且所述混凝土保护层8和所述基础5开有槽9，所述柱身4外围包裹有约束材料12，所述柱身4上还设有纵6和箍筋7，所述槽9内用粘结剂10填充，所述光纤引线13还与光纤解调仪14连接。
[0021]进一步的，所述自传感FRP筋1的内置光纤传感器采用商业单模裸光纤，传感技术采用布里渊分布式光纤传感技术(Brill1un Optical Time Domain Analysis, BOTDA)，其空间分辨率不低于0.lm ;所述自传感FRP筋1的长度(该长度不包含端部转向保护3的长度)不小于所述自传感FRP筋1的80倍直径与2倍的所述柱身4边长或直径的总和，其中，在所述基础5内的埋置长度一般不小于所述自传感FRP筋1的40倍直径，在所述柱身4的布设长度一般不小于2倍的所述柱身4边长或直径与所述自传感FRP筋1的40倍直径的总和。
[0022]进一步的，所述粘结剂10采用环氧树脂、环氧砂浆或其它高性能砂浆。
[0023]优选的，所述套管11采用铝管，其外径为1.5倍的所述自传感FRP筋1的直径，内径为1.2-1.3倍自传感FRP筋1的直径，长度为1倍的所述柱身4的边长或直径，在所述基础5内的长度一般为0.2倍的所述柱身4的边长或直径。
[0024]进一步的，所述约束材料12采用钢板、钢丝网或纤维布，优选的为纤维布。
[0025]优选的，所述传感FRP筋1的应变分析混凝土柱的变形和损伤，所述变形采用两部分分析方法，一部分是利用应变评估柱角区的裂缝宽度，并进一步计算裂缝导致混凝土柱的几何变形，另一部分是利用所述柱身4应变直接计算混凝土柱的弯曲变形，采用虚功法，两部分变形之和就是结构的实际变形；所述损伤可以采用监测的残余应变或计算的变形作为指标进行评估，其中，残余应变导入混凝土柱的低周反复模