[發明專利]復合結構界面損傷劣化過程的光纖監測方法

有效

• 申請號: 202010019157.4
• 申請日: 2020-01-08
• 公開（公告）號: CN111174934B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 王花平
• 申請（專利權）人: 蘭州大學
• 主分類號: G01K11/3206
• 分類號: G01K11/3206;G01L1/24;G01B11/16
• 代理公司: 遼寧鴻文知識產權代理有限公司 21102
• 代理人: 楊植

本發明提供了一種復合結構界面損傷劣化過程的光纖監測方法，屬于結構智能健康監測和檢測領域。在CFRP層狀材料中分別沿縱向和橫向構建呈U型排列的分布式光纖傳感探頭和呈U型排列的準分布式光柵串傳感探頭，二者在CFRP層狀材料中呈前后布置，整體形成內嵌光纖傳感網絡探頭的CFRP加固件，并采用高強粘結劑將CFRP加固件黏貼于基體上，形成復合結構。本發明的提供了一種跟蹤CFRP加固基體的復合結構成型過程中溫度場和溫度應力作用機理、整體和局部服役狀態監測、界面損傷劣化過程量化表征的光纖監測方法，為復合結構成型、服役和長期服役過程中結構安全狀態和界面損傷劣化過程的全尺度和全歷程信息監測提供有效的技術方法。

技術領域

本發明屬于結構智能健康監測和檢測技術領域，涉及到的是一種CFRP加固基體形成的復合結構界面損傷劣化過程監測方法。

背景技術

為促進區域經濟的合作和城市發展，鋼結構在大跨度橋梁、高速鐵路、超高層建筑和海底沉管隧道等重要基礎設施中的應用日趨頻繁。隨著服役年限的增長及極端惡劣環境(如地震、臺風、火災、大氣污染等)作用，這些鋼結構的局部位置或關鍵構件會因損傷(如大變形、裂紋、銹蝕等)缺陷的出現而導致承載能力降低、耐久性變差。由于新建或更換結構需要耗費較多的人力和物力資本，為避免局部損傷累積引發結構整體的失效，最經濟有效的方式是對這些結構進行維修加固處理以恢復其抗力功能。

碳纖維增強復合材料(Carbon fiber reinforced polymer，簡稱CFRP)以自重輕、強度和剛度高、耐腐蝕、熱膨脹系數小、穩定性好、優良的抗疲勞性能、可設計性(改變組分和含量及纖維縱橫向布置方式調節復合材料性能)及易整體成型等優勢被用于結構的加固。CFRP加固件具備自適應幾何形狀，可形成復雜曲面結構，對封閉或形狀復雜的結構進行全面加固，無需鉆孔；連續的面際連接比僅依靠邊緣粘結的焊接具有更好的加固效果，變形分布較均勻，降低應力集中風險。試驗證明該種加固方法能有效降低基體結構的應力水平、延緩基體損傷出現的時間和擴展速率，間接地實現結構服役壽命的增長。該種技術同樣可以推廣應用到飛機、船體和輸油管道等金屬或合金結構的加固和修復。這種由CFRP和鋼材組成的復合結構具備較好的力學性能。然而，由于材料組分及力學性能的差異，該種復合結構的界面特征明顯。該界面在服役一段時間后,可能由局部應力過大或長周期日溫差和季節變換作用削弱界面粘結強度而發生剝離，影響復合結構的承載性能，導致加固失效。因此，獲取較準確的界面剝離承載力、界面本構模型和界面失效機理是復合結構優化設計的理論基礎。

當前，國內外較多學者對CFRP加固鋼梁復合結構在溫度和濕度、氯鹽和凍融、沖擊荷載等因素及其耦合作用下的抗彎/剪性能、剛度、界面粘結、耐久性、抗火極限、疲勞特征及破壞模式等進行了試驗研究，并同時在實驗過程中采用數字圖像技術(Digital imagecorrelation，簡稱DIC)觀測CFRP加固結構的表觀變化以診斷界面剝離損傷。由于界面互相作用的不可見及界面劣化的漸變特點，這種實驗和圖像觀測技術較難記錄其過程，只能粗略地表征結果，無法獲取界面損傷發生前、發生后及發生過程中相關物理參數的變化，因此，無法為界面失效機理模型的建立提供有效連續科學的數據。其它的無損檢測方法(如聲發射技術、超聲探測技術及外紅熱成像技術等)也有類似局限性，且存在連續觀測成本高、靈敏度低、不易實時控制等缺陷。因此，需要發展經濟有效的監測技術，實時連續跟蹤復合結構界面損傷劣化的發展，以實現界面損傷的在線識別和界面失效機理模型的精準確立，從而為界面損傷的修復控制和符合結構優化設計提高有效的數據積累和科學指導。