基于光纤的预应力碳纤维板加固系统的应用分析
陈静波1，徐智浩1，丁芳1
(1.海宁安捷复合材料有限责任公司，浙江，海宁 314400 ）
摘要：近年来，碳纤维以及其复合材料的制备与应用在国内发展迅速。本文将简述一种”智能”的预应力碳纤维板加固系统。该系统将具有尺寸小，易成型，抗电磁干扰、灵敏度高的光纤传感系统设置于碳纤维板内部，便于工程使用者可以实时监测结构内部的一些情况，从而了解到结构的使用情况与使用寿命。论文将对光纤智能预应力碳纤维板加固系统的国内外使用现状进行一定的了解和研究。其次，本文将分析光纤埋入预应力碳纤维板内部，对碳纤维板的性能影响。最后，本文将探讨光纤预应力碳纤维板加固系统的广阔应用前景。
关键词：光纤 预应力碳纤维板加固系统 应用分析
中图分类号:TS952.91 文献标识码：A 文章编号：
Application of epoxy resin based glass fiber reinforced bar in Construction Engineering
Chen Jingbo1,Xu Zhihao1,Ding Fang1
(1.Haining Anjie composite material Co., Ltd,Zhejaing,Haining,314400)
Abstract: In recent years, the preparation and application of carbon fiber and its composites are developing rapidly in China. This paper will briefly described a kind of "intelligent" carbon fiber board. Is with small size, easy molding, anti electromagnetic interference, high sensitivity of the optical fiber sensing system settings within the carbon fiber sheet, for engineering users can real-time monitoring of the internal structure, to get a better understanding of the use of the structure and the service life. This paper will make a certain understanding and Research on the status quo of the use of fiber optic smart carbon fiber board at home and abroad. Secondly, this article will analyze the fiber embedded carbon fiber board, the performance of carbon fiber board. Finally, this paper will discuss the broad application prospects of fiber carbon fiber board.
Key word:Optical fiber intelligence Carbon fiber sheet Application analysis
1. 引言
近年来，随着众多学者对碳纤维板及其复合材料的大力研究与开发，随着国家政府对纤维复合材料的开发的政策支持，碳纤维板加固技术已在实际工程应用中得到越来越广泛的使用，并得到了一致的好评【1-3】。
传统的碳纤维板虽然具有高强的性能，得以在工程中大量的应用，然而在实际使用过程中，外部环境的荷载作用，内部结构的疲劳性和腐蚀性，都无法预测，很容易会产生因外部荷载量的增加或是化学腐蚀而导致结构产生不利的影响，在一定程度上也制约了碳纤维板在加固工程领域的进一步开发与应用。因此，为避免突发事故的发生，保证工程的质量，延长结构的使用寿命，可以在碳纤维板内添加光纤智能元素，使碳纤维板结构具有“智能”性，达到可以实时监控的效果。因此，研制开发一种可以自我诊断、自我调节的光纤智能碳纤维板是大势所趋。
2. 基于光纤的预应力碳纤维板加固系统国内外研究现状简述
2.1国外研究现状
在国外，智能化的复合材料研究在90年代得到了飞速的发展和研究【4】。例如，英国成立了欧洲首家专门研究智能化复合材料的研究所；德国也有专门研究光纤智能化复合材料的研究机构，埋入光纤的自诊断智能结构用于可重复使用运载器的损伤探测和评估的研究【5】。起初，光纤智能复合材料仅用于武器装备和商用飞机等部分领域，例如在结构内部加入一些具有感知功能的元件，用于预警和隐身通信等。
基于光纤的预应力碳纤维板加固系统可以实时监测结构内部的应变、温度和裂纹扩展，并能探测结构内部疲劳和损伤的情况，预测结构的使用寿命等优点，开始在各个领域内得到应用。
2.2国内研究现状
我国国内的光纤智能材料研究并未落后于国外。早在1991年，我国国家自然科学基金委员会已将智能材料结构技术列为国家高技术研究发展计划纲要的新概念构想探索课题。在国家自然科学基金、航空科学基金等多项基金资助下,研究所对智能材料结构进行了广泛、深入的研究并取得了较多的成果【6】。
其它各高校和研究所（如武汉理工大学的光纤传感研究中心和重庆大学的光电学院等）也都积极开展了智能材料结构方面的研究工作,且取得了显著的成果。一些关于智能结构研究方面的国际会议也相继在我国召开，这些会议的召开对提高我国智能结构的研究开发与应用水平都起了重要的推动作用。
3. 基于光纤的智预应力碳纤维板加固系统性能简述
光纤碳纤维板是指由碳纤维增强材料，环氧树脂基体材料，在结构内部加入具有形状记忆功能的驱动元件和测控软硬件，并经一系列生产工艺制成的碳纤维板【7】。
区别于普通的碳纤维板，光纤智能碳纤维板主要是能感知外部环境的变化和荷载作用，感知内部结构的疲劳性和腐蚀性，并通过智能软件传输到电脑端，使工程人员可以实时监控到工程结构概况。
课题组通过严谨的光纤智能碳纤维板的感知性能试验得出如下结果：光纤智能碳纤维板的灵敏度为1.228pm·με-1，线性度是0.803%，重复性是0.629%，迟滞是0.244%，量程为8213，分辨率 为0.010%，准确度为1.1923%。光纤智能碳纤维板具有良好的线性度和重复性 ，是集感知和受力、功能材料和结构材料于一体的新型土木工程智能材料。
课题组对基于光纤的预应力碳纤维板加固系统加固刚筋梁的承载能力，抗弯强度进行检测后，实验结果显示：与未加固对比梁及非预应力碳纤维板板加固的钢梁相比， 用预应力碳纤维板加固的钢梁的屈服荷载、使用极限荷载和破坏荷载均提高27.7％和 17.2％【8】。弹性阶段， 碳纤维板和应变片测量结果变化趋势大体一致， 且吻合得较好，光纤预应力碳纤维板加固系统可以检测梁加载过程中碳纤维板的变形， 为今后的钢梁加固提供一种新的检测手段【8】。 由此可见， 采用光纤预应力碳纤维板加固系统具有广阔的应用前景。
4. 光纤预应力碳纤维板加固系统的应用评价
针对重大工程和基础设施的健康监测和诊断是一项贯穿整个工程生命周期的技术,
从工程施工、运营管理一直到拆除都需要进行监测【9】。
光纤预应力碳纤维板加固系统除了具有普通碳纤维板的低密度、高强度、耐久性好、耐酸碱化学腐蚀性能强、抗压抗剪强度大等优异性能，可广泛适用于工业与民用建筑物的梁、板、柱、墙，天路公路桥梁，隧道，烟囱，塔结构等设施的加固补强【10】。预应力碳纤维板做补强混凝土结构时，对原混凝土结构扰动较小，相较于置换混凝土加固法、化学灌浆施工等加固方法，预应力碳纤维板施工工艺更为简便且加固效果突出。相较于其他的加固方式，利用预应力碳纤维板加固系统有显而易见的优势，并作为一种新兴技术，已得到愈来愈多的青睐与肯定。而光纤预应力碳纤维板加固系统正好弥补了普通碳纤维板加固在结构中无法实时检测的遗憾。相比普通碳纤维板的性能特点，光纤预应力碳纤维板肯定是更上一层楼。因此也已在桥梁、建筑物结构等工程中得到适用，并取得一致好评。
6.总结
在灾难来临之前对工程结构进行预测,评估,趋利避害己成为人们关注的焦点。另一方面,在工程中对局部质量严重退化的结构进行维修更新时,由于目前的检测技术无法对结构各构件的损伤状况作出准确客观的评估,常常不得不过于保守的对所有“可能”出现问题的部件全部更新,如济南黄河大桥对远未达到其设计寿命的斜拉索进行全面更新,严重浪费材料和经济损失。
综上所述,对工程结构进行准确的安全监测、掌握其安全状况、实现事故预先报警具有巨大的社会效益和经济效益。对结构性能进行监测和诊断,及时地发现结构的损伤,对可能出现的灾害进行预测,评估其安全性成为未来工程的必然要求,也是土木工程学科发展的一个重要领域。
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作者简介：陈静波，男，1981年生，浙江海宁人，工程师，主要从事复合材料的开发与应用。地址：海宁市丁桥镇利群（袁丁路15号），电话：0573-87830571，邮编：314414 
