CN111663714B - 一种新型智能frp可弯曲复合钢 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型智能FRP可弯曲复合钢，呈圆柱体，从其中心到最外层，包括依次包裹的核心钢筋、高强钢丝、高弹性模量FRP筋、低弹性模量FRP筋及筋材基体，所述低弹性模量FRP筋中均布有智能光纤传感器。本发明具有耐火、耐腐蚀、可半刚性弯曲及智能监测等，可作为一种高性能建筑筋材。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及一种新型智能FRP可弯曲复合钢。
背景技术
随着国家经济的发展，基础设施建设的工程日益增多，钢筋混凝土或FRP混凝土作为建筑工程中常用的材料被广泛地应用在各类基础设施建设中。混凝土材料是由胶凝材料如水泥、沙子、石子和水，经过与掺和材料、外加剂等按一定比例拌合而成，凝固养护后具有良好的抗压力学性能，但由于材料的特性，混凝土的抗拉力学性能较差，容易在拉伸作用下而发生断裂。为了解决混凝土受拉性能不足的缺点，充分发挥抗压能力强的特性，常在混凝土受拉区域内或特定部位加入一定数量的抗拉性能强的受力钢筋或FRP筋，使两种材料粘结为一个整体后，共同承受外力作用，同时具有较好的抗拉以及抗压的力学性能。传统筋材如螺纹钢、钢绞线、FRP筋等在我国基础工程建设中使用广泛，但在实际使用过程中或多或少均存在问题如下：
(1)传统螺纹钢耐腐蚀性差，不耐火，在桥梁、路面、港口、海洋工程等重要工程中更由于钢筋锈蚀导致的性能严重退化问题十分严重；
(2)钢绞线塑性变形差，不耐火，耐腐蚀性差，在桥梁、超高层建筑中使用和维护成本高昂；
(3)FRP筋无塑性变形，不耐火，弹性模量低，易老化，层间剪切强度低，抗剪性能和抗压性能差。
同时随着社会发展，桥梁、港口等大型建筑等城市生命线工程的安全维护需求也对结构筋材的安全监测提出了更高的要求。
因此，本发明基于不同材料属性，将核心钢筋、高强钢丝、高弹性模量FRP筋、低弹性模量FRP筋相结合，同时引入智能光纤传感纤维，形成一种高性能、半柔性、智能监测的多功能筋材。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型智能FRP可弯曲复合钢，具有耐火、耐腐蚀、可半刚性弯曲及智能监测等，可作为一种高性能建筑筋材。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种新型智能FRP可弯曲复合钢，呈圆柱体，从其中心到最外层，包括依次包裹的核心钢筋、高强钢丝、高弹性模量FRP筋、低弹性模量FRP筋及筋材基体，所述低弹性模量FRP筋中均布有智能光纤传感器。
所述核心钢筋的外表面轴向均匀设有与高强钢丝相吻合的沟槽，所述沟槽中设有高强钢丝。
所述高强钢丝通过高强过氧树脂胶粘附在核心钢筋的沟槽中。
所述高强钢丝的外侧通过高强过氧树脂胶粘附有高弹性模量FRP筋。
所述高弹性模量FRP筋的外侧通过混合过胶粘附有低弹性模量FRP筋。
所述低弹性模量FRP筋的外部包裹有筋材基体。
所述高弹性模量FRP筋为高弹性模量纤维制作成，所述高弹性模量纤维的粗细细于高强钢丝的直径。
所述智能光纤传感器按照圆周方向间隔30°设置。
所述筋材基体为一种耐火的高强树脂基体。
与现有技术相比，本发明的优点是：
该结构在各受力变形阶段能够保持良好的力学属性，可以实现半刚性弯曲运输与绑扎，可以直接裸露在空气中并且保持良好的耐久性，通过改善基体和FRP纤维导热性能提高筋材高温工作性能。与传统筋材相比，优势在于：
1.由高弹性模量FRP筋3、低弹性模量FRP筋4和核心钢筋1、高强钢丝2的刚度合理分布，形成内刚外柔的结构体系，实现筋材半刚性弯曲、运输、绑扎、加固等。
2.中心核心区采用表面处理的核心钢筋1，核心钢筋1表面处理成轴向的槽状，可提高核心钢筋1与外侧高强钢丝2的接触面积，保证两者之间的层间剪切力传递；中心核心区的核心钢筋1占横截面积的1/4左右，能够保证整体筋材的力学性能；而由内侧至外侧依次为高强钢丝2、高弹性模量FRP筋3、低弹性模量FRP筋4，高弹性模量FRP筋3与低弹性模量FRP筋4均依次分布并包裹于核心钢筋1外侧，并占筋材总面积的1/4左右，能够提高筋材各类的力学性能。
3.由内侧的高强钢丝2至外侧的低弹性模量FRP筋4，其刚度梯度逐步降低，可实现筋材的半刚性弯曲变形。
4.由于筋材的塑性变形能力较强，在筋材进入到完全破坏阶段，高弹性模量FRP筋3、低弹性模量FRP筋4和高强钢丝2均出现大面积损伤时，内部的核心钢筋1能够提供一定承载力，此外高强钢丝2在变形较大阶段更能提供主要承载力，该结构体系通过多重保障保证了筋材的使用性能，提高了结构的安全性。
5.高弹性模量FRP筋3、低弹性模量FRP筋4的主要作用是，在弹性变形阶段参与工作，协助高强钢丝2和核心钢筋1提供额外强度。
6.高弹性模量FRP筋3和低弹性模量FRP筋4的纤维层能够防止内部的高强钢丝2和核心钢筋1锈蚀、氧化，主要原因是，FRP筋的纤维直径较细，外界腐蚀性物质在进入到内部时，需要经过更加曲折的基体裂隙。
7.筋材的外侧变形较为明显，智能光纤传感器5位于外层的低弹性模量FRP筋4的中间位置，能够更好的监测整个筋材的弯曲和轴向变形，所测得的数据也更为精确。
8.筋材的弯曲变形可通过对称两根智能光纤传感器5进行变形差值监测，然后除以这两根光纤的距离，得到筋材曲率沿纵向的分布；筋材的轴线变形监测为某一截面所有光纤变形求平均值；由于智能光纤传感器5的高精度，能够测得较为准确的筋材应变以及混凝土开裂情况，通过智能设备与智能光纤传感器5连接后能够实现实时监测，保障结构的安全。
9.筋材基体6材料采用耐火、高强树脂基体制作，能够提高筋材整体耐久性能和耐火性能。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的核心钢筋结构示意图。
图中：1核心钢筋、2高强钢丝、3高弹性模量FRP筋、4低弹性模量FRP筋、5智能智能光纤传感器5、6筋材基体。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1和图2所示，一种新型智能FRP可弯曲复合钢，呈圆柱体，从其中心到最外层，包括依次包裹的核心钢筋1、高强钢丝2、高弹性模量FRP筋3、低弹性模量FRP筋4及筋材基体6，所述低弹性模量FRP筋4中均布有智能光纤传感器5。
所述核心钢筋1的外表面轴向均匀设有与高强钢丝2相吻合的沟槽，所述沟槽中设有高强钢丝2，所述核心钢筋1通过沟槽扩大与高强钢丝2的接触面积，保证了两者之间的层间剪切力传递。
所述高强钢丝2通过高强过氧树脂胶粘附在核心钢筋1的沟槽中。
所述高强钢丝2的外侧通过高强过氧树脂胶粘附有高弹性模量FRP筋3，所述高弹性模量FRP筋3的外侧通过混合过胶粘附有低弹性模量FRP筋4及智能光纤传感器5，所述低弹性模量FRP筋4的外部包裹有筋材基体6，上述结构可以提高筋材整体耐久性能和耐火性能。
所述高弹性模量FRP筋3为高弹性模量纤维制作成，所述高弹性模量纤维的粗细应细于所选用的高强钢丝2的直径，使得高弹性模量FRP筋3以层状能够紧密包裹住高强钢丝2。
所述智能光纤传感器5被包裹在低弹性模量FRP筋4中，按照圆周方向每间隔30°设置一根智能光纤传感器5，智能光纤传感器5与光纤连接，光纤的设置间隔度数同于光纤传感器5。
所述筋材基体6为一种耐火的高强树脂基体。
为了使得核心钢筋1、高强钢丝2、低弹性模量FRP筋4、高弹性模量FRP筋3以及智能光纤传感器5形成一个整体，并保证其整体筋材的强度，因此在筋材的最外层包裹筋材基体6，筋材基体6材料采用耐火的高强树脂基体制作，可提高筋材的整体耐久性能和耐火性能。
为了能够准确测定筋材的应变以及混凝土的开裂情况，同时减少光线传感器的使用数量，将智能光纤传感器5位于低弹性模量FRP筋4的中间部位，按照圆周方向每间隔30°设置一根智能光纤传感器5，并在筋材基体6的外表面处理形成肋提高筋材与混凝土的接触面积，以避免筋材受力后的滑移。
本发明通过对低弹性模量FRP筋4、高弹性模量FRP筋3和核心钢筋1、高强钢丝2的刚度合理分布，形成内刚外柔的结构体系，可实现筋材半刚性弯曲变形，同时分别根据内部的低弹性模量FRP筋4和高弹性模量FRP筋3、以及核心钢筋1、高强钢丝2的不同力学特性，如核心钢筋1的塑性变形能力较强、强度高以及低弹性模量FRP筋4和高弹性模量FRP筋3的纤维具有耐腐蚀、耐疲劳、轻质的特点，在弹性变形阶段，高强钢丝2、核心钢筋1以及低弹性模量FRP筋4、高弹性模量FRP筋3协同受力；而当筋材进入到完全破坏阶段，低弹性模量FRP筋4、高弹性模量FRP筋3和高强钢丝2均出现大面积损伤时，核心钢筋1能够提供一定承载力，此时通过核心钢筋1较好塑性变形能力维持结构的稳定，不至于结构瞬间破坏。同时由于低弹性模量FRP筋4、高弹性模量FRP筋3的纤维直径较细，外界腐蚀性物质在进入到筋材的内部时，需要经过更加曲折的基体裂隙，因此低弹性模量FRP筋4、高弹性模量FRP筋3的纤维层能够防止内部的高强钢丝2和核心钢筋1锈蚀、氧化，将传统筋材(钢筋、钢绞线以及FRP筋)的各项优点结合。内嵌的智能光纤传感器5能够进行轴线变形监测以及通过对称两根光纤进行变形差值监测进行弯曲变形监测，智能光纤传感器5的精度较高，同时利用多对智能光纤传感器5将误差减小，最终可实现计算机终端以及移动终端设备对此新型智能可弯曲复合钢-FRP多类型纤维筋材变形情况的监测，保障结构的安全稳定。
从内到外分布材料的弹性模量以及刚度逐渐降低可实现筋材半刚性弯曲变形，此外此类材料分布形式有利于分别发挥钢丝与FRP材料各自的力学性能特点。此外基于FRP材料的耐腐蚀性、高延性、轻质等特点，将FRP材料置于筋材外部能够有效保护内部钢丝的锈蚀以及氧化等问题，并减轻筋材的自重。筋材的使用是为了解决混凝土受拉性能不足的缺点，并广泛应用于桥梁、港口等大型建筑等城市生命线工程中，为了监测结构的安全，将高精度的智能光纤传感器5与此结构结合形成新型智能FRP可弯曲复合钢。由于筋材在受力变形时外侧筋材变形较为明显，能够更好的监测弯曲和轴向变形，通过智能光纤传感器5作为筋材性能监测传感器，置于最外层低弹性模量FRP筋4中间层部位，每间隔30°布置一根通常智能光纤传感器5。智能筋材的弯曲变形通过对称两根光纤进行变形差值监测，然后除以这两根光纤的距离，得到筋材曲率沿纵向的分布；轴线变形监测为某一截面所有光纤变形求平均值。
上述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (3)
1.一种新型智能FRP可弯曲复合钢，呈圆柱体，其特征在于：从其中心到最外层，包括依次包裹的核心钢筋（1）、高强钢丝（2）、高弹性模量FRP筋（3）、低弹性模量FRP筋（4）及筋材基体（6），所述低弹性模量FRP筋（4）中均布有智能光纤传感器（5）；
所述核心钢筋（1）的外表面轴向均匀设有与高强钢丝（2）相吻合的沟槽，所述沟槽中设有高强钢丝（2）；
所述高强钢丝（2）通过高强过氧树脂胶粘附在核心钢筋（1）的沟槽中；
所述高强钢丝（2）的外侧通过高强过氧树脂胶粘附有多根高弹性模量FRP筋（3）；
所述高弹性模量FRP筋（3）的外侧通过混合过胶粘附有多根低弹性模量FRP筋（4）；
所述低弹性模量FRP筋（4）的外部包裹有筋材基体（6）；
所述高弹性模量FRP筋（3）为高弹性模量纤维制作成，所述高弹性模量纤维的粗细细于高强钢丝（2）的直径。
2.根据权利要求1所述一种新型智能FRP可弯曲复合钢，其特征在于：所述智能光纤传感器（5）按照圆周方向间隔30°设置。
3.根据权利要求1所述一种新型智能FRP可弯曲复合钢，其特征在于：所述筋材基体（6）为一种耐火的高强树脂基体。
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| CN111663714A (zh) | 2020-09-15 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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