测量cfrp加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料疲劳性能检测技术领域，尤其涉及一种测量CFRP加固钢结构疲劳 裂纹扩展规律的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 随着钢结构在桥梁、高层建筑、起重机、海洋平台、体育场馆等领域的广泛使用，受 环境条件和外界载荷的影响，裂纹在钢结构中普遍存在。裂纹的存在大大降低了钢结构的 承载力和寿命，为消除安全隐患，需对其进行加固修复。传统的钢结构加固方法有焊接、铆 接和螺栓连接等，这些方法虽然有一定的加固效果，但也会带来一系列新的问题，如产生新 的应力集中和残余应力等。
[0003] 碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢结构是近年发展起来的新技术。CFRP用胶水粘 贴在钢结构受损部位，通过胶层的形变，一部分载荷传递到CFRP片材上，降低了受损部位的 应力值，"钢结构-胶层-CFRP"共同受力，制约了裂纹的扩展。该技术克服了上述各种方法的 缺点，由于CFRP具有自重轻、比强度高、抗疲劳性能和耐腐蚀性好、施工便捷等优点，CFRP加 固钢结构的技术得到越来越广泛的应用。
[0004] 为了探讨CFRP加固钢结构的疲劳裂纹扩展规律，评估该技术的修复效果，必须对 修复结构进行试验研究，以实测数据作为支撑。现有的疲劳裂纹扩展规律测量方法主要有 目测法、电位法、柔度法等。裂纹在CFRP覆盖下无法观测其扩展情况，因此不能用目测法；电 位法易受环境因素的影响，精度低;柔度法需通过相关物理量的变化值换算成裂纹扩展长 度，换算过程较为繁琐，容易造成误差。上述方法主要针对无加固下疲劳裂纹扩展速率的测 量，而含裂纹钢结构在CFRP覆盖下的疲劳裂纹扩展路径和速率却无法实时监测。
[0005] 目前涉及CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的专利还未见报道。申请号为 201420457865.6的专利"结构裂纹检测装置"，可监测裂纹扩展路径和裂纹尖端应力场强弱 的变化。由于该装置的铜线需布置在环氧树脂基底板上，故无法用于CFRP加固下裂纹的监 测。且裂纹尖端有奇异性，裂纹在扩展时，裂纹尖端的应力趋于无穷大，应力的大小不再作 为裂纹扩展的强度条件，因此裂纹尖端应力场强弱的监测并无很大意义，而应用疲劳裂纹 扩展速率来研究裂纹的扩展情况。申请号为201110168553.4的专利"疲劳裂纹扩展速率自 动测量装置及方法"，可通过计算机程序将断裂线断裂次序与时间的关系换算成裂纹长度 与时间的关系，从而得到疲劳裂纹扩展速率。该方法没有控制断裂线之间的距离，易产生误 差。该装置适用于规则裂纹的测量，而对复杂的不规则裂纹，则无法监测裂纹扩展的路径。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中测量疲劳裂纹的方法易产生误差， 且无法监测CFRP覆盖加固下复杂不规则裂纹的缺陷，提供一种能够智能的、准确的测量 CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置及方法。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0008] 本发明提供一种测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置，包括横向测量单 元和纵向测量单元；
[0009] 所述横向测量单元包括设置在被测试件上的多根横向平行排列的横向光纤，还包 括与所述横向光纤相连的第一光电传感器，用于将所述横向光纤的光信号转换为横向电信 号;所述第一光电传感器的另一端连接有第一显示器，用于根据横向电信号显示每根所述 横向光纤的通断情况；
[0010] 所述纵向测量单元包括设置在被测试件上的多根纵向平行排列的纵向光纤，还包 括与所述纵向光纤相连的第二光电传感器，用于将所述纵向光纤的光信号转换为纵向电信 号;所述第二光电传感器的另一端连接有第二显示器，用于根据纵向电信号显示每根所述 纵向光纤的通断情况；
[0011] 所述横向光纤和所述纵向光纤在光纤粘贴区内垂直相交，所述横向光纤和所述纵 向光纤的断裂韧性与所述被测试件一致;所述第一显示器和所述第二显示器的另一端连接 有数据处理单元，所述数据处理单元根据接收到的每根光纤的断裂时间及断裂位置计算所 述被测试件裂纹的扩展路径和疲劳裂纹的扩展速率。
[0012] 进一步地，本发明的所述第一显示器和所述第二显示器上均设置有多个指示灯， 所述第一显示器上指示灯的数量与所述横向光纤的数量相同，所述第二显示器上指示灯的 数量与所述纵向光纤的数量相同，每个指示灯分别与每根光纤相对应，用于显示光纤的通 断。
[0013] 进一步地，本发明的所述横向光纤和所述纵向光纤的一端均设置有光源。
[0014] 本发明提供一种测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的方法，包括以下步骤：
[0015] S1、在被测试样的裂纹扩展区粘贴多根横向等间距平行布置和纵向等间距平行布 置的光纤，并根据测量精度确定其间距;在裂纹表面粘贴CFRP加固并修复裂纹，并将粘贴好 的光纤分别与光源、光电传感器连接，将光电传感器的输出端依次与显示器和数据处理单 元连接；
[0016] S2、进行疲劳试验:裂纹随着疲劳载荷循环次数的增加而发生扩展，光纤随裂纹尖 端张开位移的增大而断裂，显示器上对应的指示灯熄灭，数据处理单元记录各个指示灯的 熄灭时间；
[0017] S3、数据处理单元根据光纤的间距和指示灯熄灭的先后顺序，拟合出裂纹的扩展 路径，并根据扩展路径和每两个相邻指示灯的熄灭时间间隔，计算出各个时间间隔内的裂 纹扩展量；
[0018] S4、数据处理单元根据疲劳载荷的周期和每两个相邻指示灯的熄灭时间间隔，得 到该时间间隔内的载荷循环次数，并结合对应的裂纹扩展量得出疲劳裂纹的扩展速率。 [0019]进一步地，本发明的步骤S4中载荷循环次数的计算公式为：
[0021] 其中，T为疲劳载荷周期，ΔΤ为两个相邻指示灯的熄灭间隔时间。
[0022] 进一步地，本发明的步骤S4中疲劳裂纹扩展速率的计算公式为：
[0024] 其中，Aa为两个相邻指示灯的熄灭间隔时间内的裂纹扩展量，ΔΝ为载荷循环次 数。
[0025] 本发明产生的有益效果是:本发明的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装 置及方法，通过光纤将光信号转换为电信号，把裂纹在CFRP覆盖粘贴下的扩展情况转变为 可视化的指示灯的熄灭，能够实时监测裂纹在CFRP加固下的扩展路径和扩展速率;并且可 以根据测量精度的不同要求设置光纤的间距，满足复杂不规则裂纹的扩展路径监测的要 求;并且本装置结构简单，成本低，自动化程度高，易于测量，可全程实时监测裂纹的扩展情 况。
【附图说明】
[0026] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0027] 图1是本发明实施例的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置的结构示意 图；
[0028] 图2是本发明实施例的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置的光纤随裂 纹扩展而断裂的示意图；
[0029]图3是本发明实施例的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置的显示器的 结构示意图；
[0030] 图4是本发明实施例的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的方法的流程图；
[0031] 图5是本发明实施例的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的方法的详细流 程；
[0032]图中，1-被测试件，2-横向光纤，3-纵向光纤，4-光纤粘贴区，5-第一光电传感器， 6_第二光电传感器，7-第一显示器，8-第二显示器，9-数据处理单元，10-指示灯。
【具体实施方式】
[0033]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不 用于限定本发明。
[0034] 如图1所示，本发明实施例的测量CFRP加固钢结构疲劳裂纹扩展规律的装置，包括 横向测量单元和纵向测量单元；
[0035] 横向测量单元包括设置在被测试件1上的多根横向平行排列的横向光纤2,还包括 与横向光纤2相连的第一光电传感器5,用于将横向光纤2的光信号转换为横向电信号;第一 光电传感器5的另一端连接有第一显示器7,用于根据横向电信号显示每根横向光纤2的通 断情况；
[0036] 纵向测量单元包括设置在被测试件1上的多根纵向平行排列的纵向光纤3,还包括 与纵向光纤3相连的第二光电传感器6,用于将纵向光纤3的光信号转换为纵向电信号;第二 光电传感器6的另一端连接有第二显示器8，用于根据纵向电信号显示每根纵向光纤3的通 断情况；
[0037] 第一显示器7和第二显示器8上均设置有多个指示灯10,第一显示器7上指示灯10 的数量与横向光纤2的数量相同，第二显示器8上指示灯10的数量与纵向光纤3的数量相同， 每个指示灯10分别与每根光纤相对应，用于显示光纤的通断。
[0038] 横向光纤2和纵向光纤3在光纤粘贴区4内垂直相交，横向光纤2和纵向光纤3的断 裂韧性与被测试件1 一致;第一显示器7和第二显示器8的另一端连接有数据处理单元9,数 据处理单元9根据接收到的每根光纤的断裂时间及断裂位置计算被测试件1裂纹的扩展路 径和疲劳裂纹的扩展速率。
[0039] 在本发明的另一个实施例中，该装置由两组组件构成，一组是由第一光源、横向光 纤、第一光电传感器、第一显示器组成，另一组是由第二光源、纵向光纤、第二光电传感器、 第二显示器组成，两组组件均与计算机相连。第一光源和第二光源分别为横向光纤和纵向 光纤提供光源。
[0040]图1中虚线区域为裂纹扩展区，也是光纤粘贴区，在该区域粘贴横向光纤和纵向光 纤。横向光纤和纵向光纤的规格一致，只是布置的方式不一样，且横向光纤和纵向光纤的断 裂韧性与被测试件一致，用于保证该处光纤与其下表面的试样断裂时间同步。
[004