论文部分内容阅读
粘接CFRP板常用来加固开裂钢结构,但是仍需监测加固后结构是否继续开裂,保证运营安全。针对粘接CFRP加固将裂纹封闭导致常规方法无法监测问题,本文提出智能CFRP,综合利用光纤传感技术和高性能碳纤维复合材料,将光纤嵌入CFRP板,集加固和监测开裂于一体。首先就基于开裂区光纤应变监测裂纹张开位移的方法进行理论和试验研究,其次就CFRP加固开裂结构的桥接应变进行了理论、试验和仿真分析。结果表明开裂区光纤应变分布、裂纹张开位移的理论值和试验值吻合良好,监测开裂具有可行性;揭示了CFRP加固开裂钢结构的应力传递机理。本文主要工作如下:（1）针对开裂区光纤应变如何监测开裂,以表面粘贴式光纤的应变传递机理为基础,推导开裂区光纤应变分布与裂纹张开位移的关系转换式。理论模型考虑了包裹光纤纤芯的涂覆层弹性和塑性,光纤轴向与裂纹长度方向的夹角θ。结果表明:光纤涂覆层进入塑性不可避免,进入塑性的长度与裂纹张开位移有关,θ会对光纤应变产生一定影响。最终得到综合考虑光纤涂覆层弹塑性和光纤与裂纹长度方向夹角θ的开裂区光纤应变反演裂纹张开位移的理论模型。（2）针对通过裂纹附近光纤应变监测开裂理论的可行性,以预制裂纹的纯弯曲钢构件为对象进行验证试验,试验采用PPP-BOTDA分布式光纤传感器采集光纤应变。对比实测与理论开裂区光纤应变分布、裂纹张开位移理论与实测值、θ对开裂区光纤应变的影响。结果表明:开裂区光纤应变和裂纹张开位移的理论与实测吻合良好。本文提出的监测方法正确可行;本方法在θ不超过30°时,具有良好的精度和灵敏度。（3）针对粘贴于裂纹处CFRP的桥接应变场,首先理论推导荷载作用下开裂钢结构—CFRP荷载传递模型,得到CFRP板的桥接应变。其次进行粘接CFRP加固开裂纯弯曲钢构件试验,采集CFRP板的应变与裂纹张开位移。最后对试验建立有限元模型,利用试验结果验证有限元模型,分别分析粘接层弹性和塑性情况下胶层剪应力、CFRP板桥接应变及碳板弹性模量、碳板厚度、胶层剪切模量、胶层厚度对裂纹张开位移的影响,对比加固前后裂纹张开位移。结果表明:CFRP和开裂结构之间的荷载转移发生在板端和开裂区,开裂会使开裂处CFRP板应力增大;碳板厚度、碳板弹性模量、胶层剪切模量对裂纹张开位移影响较大,胶层厚度影响较小;加固能明显减小裂纹张开位移。智能CFRP集加固与监测为一体,研究成果为促进智能CFRP在加固和监测开裂的工程应用提供理论基础和技术支持。