[發(fā)明專利]一種壓電材料和碳纖維復(fù)合布式的土木結(jié)構(gòu)加固和監(jiān)測(cè)裝置及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810442093.1
• 申請(qǐng)日: 2018-05-10
• 公開（公告）號(hào): CN108612338A
• 公開（公告）日: 2018-10-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馮謙;梁亞斌;江健;蔡思佳;歐進(jìn)萍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢地震工程研究院有限公司
• 主分類號(hào): E04G23/02
• 分類號(hào): E04G23/02;G01N29/04;G01N29/11;G01N29/44
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

本發(fā)明公開了一種壓電材料和碳纖維復(fù)合布式的土木結(jié)構(gòu)加固和監(jiān)測(cè)裝置及方法，該方法在利用碳纖維材料加固結(jié)構(gòu)的同時(shí)，通過(guò)對(duì)位置相對(duì)的兩個(gè)壓電材料傳感器之間激發(fā)的應(yīng)力波在加固結(jié)構(gòu)的混凝土內(nèi)部和表面，以及加固結(jié)構(gòu)和碳纖維布材料的交界面的傳播和衰減特性的判斷，來(lái)感知加固結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)的缺陷和病害，包括混凝土內(nèi)部裂縫、孔洞，碳纖維布與加固主體的脫膠、滑移等。所述壓電材料傳感器通過(guò)高性能環(huán)氧樹脂類粘結(jié)膠與碳纖維材料相集成融合，制成的新型碳纖維布通過(guò)加固粘接劑鋪設(shè)在被加固結(jié)構(gòu)上。本發(fā)明可對(duì)加固結(jié)構(gòu)在服役期間的健康狀況進(jìn)行長(zhǎng)期在線地監(jiān)測(cè)，對(duì)加固結(jié)構(gòu)的服役安全做出及時(shí)有效地評(píng)估，成本低廉。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于土木工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，涉及一種土木結(jié)構(gòu)加固監(jiān)測(cè)技術(shù)，具體涉及一種壓電材料和碳纖維復(fù)合布式的土木結(jié)構(gòu)加固和監(jiān)測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)

土木結(jié)構(gòu)主要包括混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)，處于自然環(huán)境中的土木工程結(jié)構(gòu)從服役開始就不斷累積由環(huán)境侵蝕、材料老化、荷載的長(zhǎng)期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)以及突變效應(yīng)等不利因素耦合作用下產(chǎn)生的損傷，隨著結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度逐漸降低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性受到嚴(yán)重影響。此外，許多已經(jīng)接近或達(dá)到設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的工程結(jié)構(gòu)也迫切需要進(jìn)行維修加固。針對(duì)此種情形，碳纖維增強(qiáng)材料(Carbon Fiber ReinforcedPolymer,CFRP)因其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性和耐久性強(qiáng)、施工便捷、對(duì)結(jié)構(gòu)影響小等優(yōu)點(diǎn)在工程加固領(lǐng)域被廣泛采用。

結(jié)構(gòu)加固后，為了及時(shí)獲取和了解其在后續(xù)服役階段的健康狀況和抗震性能變化情況，保障整個(gè)加固建筑結(jié)構(gòu)的后期服役安全，利用智能感知傳感器對(duì)加固后結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和性能退化趨勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和識(shí)別是一種具有廣闊應(yīng)用前景的新技術(shù)。壓電材料包括壓電陶瓷、壓電晶體片以及壓電薄膜等，以其優(yōu)良的機(jī)電特性和體積小、重量輕、造價(jià)低、響應(yīng)快、靈敏度高、加工方便、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)局部區(qū)域或關(guān)鍵部位的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和監(jiān)測(cè)提供了新的解決方案。但是目前，現(xiàn)有技術(shù)中還缺乏將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)維修加固有機(jī)結(jié)合的相關(guān)技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種土木工程結(jié)構(gòu)加固與狀態(tài)監(jiān)測(cè)復(fù)合技術(shù)，充分利用集成在碳纖維材料上的壓電材料的特性，將其作為作動(dòng)器和傳感器，在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)加固的同時(shí)，又可以通過(guò)分析位置相對(duì)的兩個(gè)壓電材料之間壓電應(yīng)力導(dǎo)波傳播性能，監(jiān)測(cè)識(shí)別碳纖維布脫落、空隙等缺陷，以及加固主體內(nèi)部孔洞、裂紋等損傷。該技術(shù)能夠長(zhǎng)期有效地提供土木結(jié)構(gòu)的狀態(tài)信息，為加固結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期健康服役提供保障。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種壓電材料和碳纖維復(fù)合布式的土木結(jié)構(gòu)加固和監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一，將成對(duì)的壓電材料傳感器固定在碳纖維布上，并在壓電材料傳感器表面進(jìn)行防水絕緣處理；

步驟二，將復(fù)合了壓電材料傳感器的碳纖維布通過(guò)粘結(jié)劑敷設(shè)在待加固結(jié)構(gòu)上，成對(duì)的壓電材料傳感器分別位于被加固結(jié)構(gòu)采樣點(diǎn)兩側(cè)相對(duì)位置，將成對(duì)的兩個(gè)壓電材料傳感器分別作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)器和信號(hào)接收器；

步驟三，將壓電材料傳感器分別通過(guò)線纜連接到數(shù)據(jù)采集卡，然后將數(shù)據(jù)采集卡與電腦終端相連；

步驟四，電腦終端通過(guò)線纜控制數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生一定頻段的激勵(lì)電壓信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸出到作為信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的壓電材料傳感器，激勵(lì)電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)壓電材料傳感器發(fā)生機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生壓電應(yīng)力波，并在加固結(jié)構(gòu)內(nèi)部及表面?zhèn)鞑?；?yīng)力波信號(hào)被加固結(jié)構(gòu)另一側(cè)表面的壓電材料傳感器接收并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)線纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡的輸入端，之后數(shù)據(jù)采集卡將接收到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并傳輸?shù)诫娔X終端；