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技术文章
光纤光栅传感技术在CFRP加固混凝土梁界面应变测量中的应用
- Kesavan1, K. Ravisankar1, R. Senthil2, B. Arun Sundaram1, and S. Parivallal1
摘要：
纤维增强复合材料（FRP）具有高强度、重量和刚度比、耐腐蚀、重量轻但有很高的耐久性的特点，因此非常适合土木工程结构的加固。设计嵌入式传感器监测FRP加固混凝土结构中的应变的前提是传感器的埋入不应该对加强结构的强度刚度产生影响。由于与FRP材料具有兼容性，光纤布拉格光栅（FBG）传感器是嵌入FRP加固混凝土结构界面的理想选择。FBG传感器柔软且尺寸小（直径= 250mu;m），因此可以很容易地在FRP-混凝土界面上进行检测，而且具有足够粘贴传感器的地方。本文就来探讨这些问题。
关键词：
光纤布拉格光栅传感器，CFRP，界面应变，健康监测，弯曲试验，实验研究，数据整理
绪论
当前民用基础设施的损坏和功能缺陷是建筑行业面临的最大挑战之一。现存的许多混凝土结构由于施工时设计不足，再加上化学侵蚀和结构老化而使初始设计不足的缺陷更加严重。急需寻找有效手段来改善这些结构的性能，但又不增加结构的总重、维护成本和维护时间。纤维增强复合材料的使用克服了这些问题，并提供了令人满意的解决方案。纤维增强复合材料（FRP）强化的结构具有用常规材料强化无法达到的突出特点，因此，用纤维增强复合材料增强的钢筋混凝土结构已被广泛使用。在不同类型的FRP中，高性能碳纤维复合材料因其与其他材料（如：用于修复和加固现有混凝土结构的钢材）相比具有许多优点而被全世界所认可。
一般来说，用于FRP加固的界面粘合的方式有两种，即板粘合和片粘合。薄板粘合是一种湿铺叠过程，需要底漆，饱和剂和碳纤维增强聚合物（CFRP）片材。湿敷过程中通常需要更高的质量控制应用。 使用更高的质量控制是可能的由于与片材粘合系统相比，工厂制造的玻璃钢板粘合系统包埋在环氧树脂基体中的拉挤碳纤维是直接粘结在混凝土表面的。版材粘合系统目前更受欢迎，因为它对贴合板的表面具有很高的适应性，并且提供最大限度的提供灵活性和施工便利性。
用于梁的弯曲加强，CFRP复合材料附着在横梁的拉伸侧上纤维沿纵向取向梁强制在复合材料中传播叠加层受限于现有的剪切混凝土材料，因为典型的高分子树脂具有显着更高的抗拉能力比混凝土基材。 要求任何嵌入式传感器用于监测FRP中的应变传感器是混凝土结构不应该损害操作要求的加强结构。 由于与FRP材料的兼容性，FBG传感器是一种嵌入界面的不错选择玻璃钢加固的混凝土结构。
由于FBG传感器更灵活，重量轻，和小尺寸（直径= 250微米），他们可能很容易在FRP-具体界面上使用足够的表面处理和合适的粘合剂。本文处理应用程序中的问题/方法FBG传感器用于界面应变测量，用CFRP加固钢筋混凝土梁。它也描述了实验研究进行鉴定开始和传播从混凝土表面剥离CFRP从使用FBG的界面应变测量阵列传感器（单光纤中有五个光栅）间隔监测的开始和传播剥离。这包括简单的测试带有CFRP的支撑梁与张力相结合梁的一侧。在这项研究中，两种类型的CFRP是即用于加固加强梁CFRP板和板。建立三维建模梁的非线性混凝土模型的应用有限元方法也在本研究中进行来比较从中测量的界面应变实验。
光纤布拉格光栅传感器
光纤布拉格光栅（FBG）传感器是最多的有希望的基于最新技术的光纤传感器技术。 另外，还有特点FBG反映了一个特定的波长根据所施加的应变而略微改变非常适合机械感应。 FBG的优点超过传统的电阻传感器：
1.FBG尺寸小，重量轻，不受其影响电磁干扰，信号传输不依赖距离。
2.FBG与新型复合材料相匹配如玻璃或碳纤维增强复合材料这些在现代建筑中被广泛使用新的飞机或风力发电厂。 FBG可以直接整合到复合材料中或可以直接固定或作为补丁固定在测试表面上像普通应变计一样的物体。
3.FBG可以测量非常高的应变（gt; 10,000mu;ε）因此非常适合高度压力复合结构。
4.FBG传感器提供多路复用，即一个光纤许多FBG可以连续排列。 没有回报光纤是必要的。
5.长期稳定性非常高，腐蚀性好抵抗性。
6.易于安装（时间，布线，测试）。
FBG传感器的工作原理
光纤布拉格光栅是周期性的结构直接印刻在玻璃光纤的芯中通过强大的紫外线辐射。这种结构由周期性变化的折射率组成（RI）超过几毫米的光纤核心。 用于感测的FBG的具体特征应用程序是他们的周期性导致他们充当波长敏感反射器。 中压印过程中，紫外线的强度照明以周期性的方式发生沿着光纤核心。 功率足够高在核心层创建局部缺陷，然后引起了一个周期性的变化当地的RI。 RI创建的这种变化是永久性的并且对许多物理参数敏感，如压力，温度，应变和振动。因此通过监视反映的结果变化波长，FBG可用于传感应用测量各种物理量。
光纤布拉格光栅传感器响应出现来自两个来源，即引起音高变化光栅的长度（）和光栅的扰动有效芯折射率（）。 波长反射光谱带的范围由布拉格定义条件：
当FBG受力时，布拉格波长（）变化和关系如下：
其中，，布拉格波长的变化;
，初始布拉格波长;
，拉伸之后的布拉格波长。
图1梁的典型仪器方案。
所有尺寸均以毫米为单位。 FBG1-FBG5表示光纤布拉格光栅传感器（长10mm）在CFRP和混凝土界面之间。 S1-S5表示CFRP板/板上的电阻应变计（10mm）。
图2粘贴在CFRP片上的电应变片的位置。
拉紧/加载；和，弹性有效范围内的照片。
界面应变
在FRP加强混凝土中有三种材料即FRP，粘合剂和混凝土以及FRP粘合剂和粘合剂混凝土两个界面。因此，从理论上讲，五个脱钩模式是可能的。它们是FRP分层;玻璃钢粘合剂分离; 粘性弯曲;粘合剂 - 混凝土分离; 和混凝土基材断裂。 这五种失效模式可以是广泛的归类为两类失败：材料退化，和界面断裂。 失败模式像FRP分层，粘合剂脱模和混凝土基材断裂被认为是材料的退化，而失败模式如玻璃钢粘合剂分离并考虑粘合剂 - 混凝土分离界面断裂。 通过在FBG中嵌入FBG传感器FRP-混凝土界面，由于的脱粘应变可以测量界面断裂。
实验调查
初步的实验调查已经完成，旨在了解在混凝土界面处检测FBG传感器的问题和CFRP并测量界面应变。这个实验程序由测试小组成混凝土棱柱与CFRP粘结并受到轴向载荷条件.10包括试样两个混凝土棱镜（100times;100times;200）连接通过两块200times;50毫米的CFRP板外部粘合到混凝土表面和FBG传感器在界面处粘合。 标本被逐渐加载直到失败和响应从传感器连续记录。 从这些实验中，我们发现，用FBG阵列传感器，脱粘的起始和传播可以在FRP强化中得到很好的监控混凝土结构，这是一个初步的研究扩大FBG传感器技术界面应变在CFRP加固的RCC梁中进行测量。
图3用CFRP板测试梁的测试装置
CFRP加固的试验研究受弯曲的混凝土梁
梁与CFRP板材：
实验方案包括测试一个尺寸为100times;200times;1500mm的梁（B1）M40级混凝土（混配比例为1：2.25：2.35水灰比为0.5）经受四次处理点加载。 梁被加固（设计如在加强梁下）与四个数字直径8毫米的棒材在纵向上，和抗剪钢筋由6毫米直径组成间隔150毫米的间距和一个明确的覆盖提供25毫米。 尺寸为460毫米的CFRP板长达50毫米宽，与张力结合在梁的中心使用标本的一侧胶粘剂。
图4光束仪器FBG传感器和应变计
光束用FBG阵列装备传感器（五光栅单光纤）在规则在CFRP和混凝土之间的界面处的间隔监测剥离的开始和传播。仪器细节如图1所示。FBG阵列传感器由五个10毫米的传感器组成长度为100毫米的长光栅的纤维。 总共有五个传感器粘合在一起每个梁的接口。 调查了两个光束并且他们两人都是一样的装备方式。 电阻应变计10毫米长时间粘合在CFRP片材的表面上如图2所示，使用合适的五个位置基于氰基丙烯酸酯的应变计粘合剂。
梁使用位移控制进行测试在伺服控制的UTM中（图3）。 FBG传感器连接到询问器（sm 130-700，FromMicron Optics，Inc.美国;HTTP：//www.micronoptics.com）并且应变计连接到菌株量具数据记录器。 梁被测试了四个点弯曲和来自FBG传感器的应变并连续监测应变计。在43.5 kN的载荷下发生CFRP板从混凝土上的剥离。 有人指出，FBG传感器在界面记录比菌株更高的菌株用常规电阻应变测量量具，它们粘结在CFRP片材表面上。光束被加载到失败的手段从混凝土上剥离CFRP。
图5 CFRP板梁的破坏模式
图6使用ABAQUS开发的三维模型
CFRP板梁：
另外两根钢筋混凝土梁（B2和B3）尺寸为100times;150times;1500毫米的M40级混凝土（混合例为1：2.25：2.35和水灰比是0.5）经受四点加载。该梁加固（设计为加固下梁）与四个8毫米直径的酒吧在数字纵向和抗剪钢筋由间距为150mm的6mm直径棒组成提供了间距和25毫米的透明盖。长460毫米，宽50毫米的CFRP板被粘在试样的张力面上梁的中心使用粘合剂。 梁也是用FBG阵列传感器（五个光栅在单一光纤中）以一定的间隔在界面处在CFRP和混凝土之间监控启动和脱粘的传播。
电阻应变计粘结在一起CFRP板的表面在五个地方正好在那里FBG传感器被放置在CFRP-混凝土界面中，使用合适的基于氰基丙烯酸酯的应变计粘合剂（图4）。 仪器化的梁进行了测试用于使用伺服控制执行器系统的四点弯曲负载。 增量加载应用于梁和装载继续直到完成梁的失败。 来自菌株的反应在测试期间测量量具和FBG传感器。在26千牛的负载下发生完全失效。 图5显示测试光束的失效模式。
数据分析
数值研究进行了比较从实验研究中获得的结果。一个三维的数值模型是使用开发的ABAQUS软件。八节点连续实体使用涂抹裂纹方法的元件用于建模梁和钢筋被模拟为线元素并被嵌入具体。使用CFRP板/板进行建模壳单元并被连接到混凝土表面通过粘合剂，也被模拟为八节点连续实体元素。凝聚力元素被用来模拟粘合剂的行为层，在混凝土和CFRP之间的界面处。粘合剂用线性粘合剂建模元素COH3D8，八节点三维元件。内聚层的本构响应已被直接定义为牵引力对比分离和此功能主要是为了界面厚度的接合界面可以忽略的小。钢筋混凝土的性能钢筋，粘合剂和CFRP板/板作为模型的输入给出（图6）。紧张用碳纤维板/钢板粘接的梁的图案从数值研究中获得的结果显示在图3和4中7和8。
图7带CFRP板的梁的应变轮廓（载荷水平= 43.4 kN）
图8带CFRP板的梁的应变轮廓（载荷水平= 26 kN）
结果与讨论
测试了三根梁以研究剥离混凝土 - CFRP板/板在挠曲下的性能加载。 应变响应之间的界面测量CFRP和混凝土。 测试是直到梁和应变读数失败来自FBG传感器和电阻应变计被测量。 为了测量界面应变，使用FBG阵列传感器并且应变是在界面处测量三个部分。
图9显示了典型应变测量嵌入CFRP混凝土界面的FBG传感器和相应的电阻应变计粘贴在CFRP板表面上作为梁样品B1。 从进行的实验研究CFRP板结合在梁试样B2和B2上B3，所有传感器测得的应变值被记录。 图10和图11显示了从典型FBG传感器测量的应变CFRP-混凝土界面和相应的电器在CFRP板表面粘贴一层电阻应变计用于梁样本B2。
图9用CFRP板在梁上测量的载荷与应变（B1）
用于典型的FBG传感器
图10用CFRP板在梁上测量的载荷与应变（B2）
用于典型的FBG传感器
图11用CFRP板在梁上测量的载荷与应变（B3）
用于典型的FBG传感器。
图12梁的实验和数值应变比较
与CFRP板材
图13梁的实验和数值应变比较
用CFRP板
所开发的数值模型进行了分析四点弯曲载荷来模拟实验负荷。 从实验获得的菌株研究和数值研究进行了比较，并且图 12和13显示了它们之间的比较。应变值由数值确定实研究很好，但在那里在脱粘载荷上是一个小变化。
总结
从梁上进行的实验研究已经与CFRP片材粘合的标本注意到在接口处嵌入了FBG传感器记录的应变比测量的应变高表面使用电阻应变计。靠近剥离位置的FBG传感器是能够监测剥离进程的开始，该位置的FBG传感器开始注册更高的菌株，这是非常好的说明该位置发生脱粘。该记录的最大界面应变为约2700mu;ε，在此处CFRP片材脱粘发生。 梁被加载失败。 在加载50kN的CFRP片材完全剥离从具体发生。
从梁上进行的实验研究与碳纤维板粘合的标本，完整失败发生在26 kN的负载，并没有
从混凝土上剥离CFRP。 失败梁的剥离发生在混凝土表面没有任何CFRP的脱粘。 然而，使用FBG传感器记录界面应变被执行直到失败负载。 最大值记录的界面应变在1250mu;ε左右24 kN负载。 记录的最大界面应变来自极端FBG在失效载荷（26千牛）左右3200mu;。
对于这两个实验研究，FBG传感器被用来测量界面处的应变在混凝土和CFRP板/板之间。
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