基于碳纤维传感自监测frp混凝土结构试验的研究

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1、摘要基于碳纤维传感的自监测FRP混凝土结构试验研究硕士研究生：王红涛摘要导师：杨才千副教授碳纤维不仅具有高强度、高弹模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳等优点，而且还具有导电性和压阻效应。压阻效应使碳纤维作为结构材料的同时，也具有潜在的自传感功能。但碳纤维是一种完全线弹性材料，存在比较严重的“脆性”破坏，通过纤维间的混杂可以得到类似于普通低碳钢材的“伪屈服”现象，克服碳纤维复合材料的“脆性”破坏行为。本文首先介绍了碳纤维压阻效应，详细研究了碳纤维的传感性能及其在混凝土结构上的应用。其中碳纤维传感在本文中分为两个方面：一是碳纤维束传感器，此时碳纤维束不具备作为结构

2、材料的承载作用，只被用作传感；二是自传感碳纤维布，并与玄武岩纤维布混杂，此时碳纤维作为结构材料的同时，也具有传感功能。然后，研究了长标距碳纤维传感器的应变监测性能，其中碳纤维传感器由碳纤维束和测量电极构成，并经树脂浸渍、固化而成。通过往复拉伸试验，得到了稳定的碳纤维传感器标定系数，其值在2．1．3．1范围之间；电阻变化率△刚＆和应变之间的线性度良好，线性拟合度均超过0．992。同时，研究了长标距碳纤维传感器在混凝土梁上的应用，采用定点粘贴和全面粘贴两种方式对RC梁进行分布式监测，并对两种传感器布设方式进行了比较；试验结果表明：定点粘贴和全面粘贴两种布置

3、方式均能对RC梁的开裂、钢筋屈服等损伤进行准确的捕捉。其中，全面粘贴布置时长标距碳纤维传感器电阻变化率较大，且对RC梁裂缝出现及开展更为敏感；而定点粘贴布置时长标距碳纤维传感器可实现标距长度内平均应变的监测，线性度和稳定性更好，测量结果与长标距FBG传感器的监测数据吻合良好。最后，在混杂纤维传感原理的基础上，研究了碳纤维和玄武岩纤维混杂片材的力学和自传感性能，及其在混凝土结构上的应用。通过混杂不仅能提升复合材料的力学性能，同时还能改善碳纤维的传感性能，测量混杂复合材料电阻变化可定性地反映其应变和损伤状况。碳纤维和高延性玄武岩纤维的混杂，不仅能提高混杂效

4、果和经济性，而且还能利用玄武岩纤维的电磁屏蔽及非导电特性对碳纤维起到良好的保护作用。在此基础上，采用预应力混杂纤维布对RC梁进行抗弯加固。通过施加预应力，提高了纤维的利用率和碳纤维自监测功能以及混凝士梁的加固效果，加固梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载均有大幅的提高：其中开裂荷载提高了44％以上，屈服荷载提高了26％以上，极限荷载相应的提高了36％以上。试验结果表明：RC梁整个加载过程中出现的混凝土开裂、混杂纤维板滑移、钢筋屈服和纤维断裂等损伤阶段均能被准确的捕捉：混凝土开裂、钢筋屈服时电阻变化率曲线出现拐点；混杂纤维板滑移时电阻变化率增长趋势变缓：纤维

5、断裂时电阻变化率出现火幅阶跃，此时加I州梁的承载力相麻的下降，此外，加同梁的应变和挠度与混杂纤维布的电阻变化率有良好的对应关系。上述试验研究实现了对RC加I司梁的分布式、阶段性自监测的功能，提高了碳纤维复合材料的应用安全性以及使J}j附加值。关键词：自监测混凝土结构，碳纤维，混杂纤维，压阻效应，分布式监测，预应力加固，AbstractStudyontheSelf-MonitoringFRP-ConcreteStructuresBasedonCarbonFiberSensingCFRP(CarbonFiberReinforcedPolymer)compo

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

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

8、ositescanbereducedandevenavoidedthroughhybridiz