專利名稱：纖維增強塑料－光纖光柵復合智能筋的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種智能土木工程材料。具體地說是利用纖維增強塑料(FRP)的強度特性和光纖布拉格光柵(OFBG)的感知特性，研制開發(fā)出的FRP-OFBG復合智能筋，是兼具受力與傳感特性、集結構材料和功能材料于一體的土木工程材料。
背景技術：
1978年，加拿大的Hill發(fā)明摻鍺光纖中光致折射率變化的現(xiàn)象使芯內(nèi)光柵得以問世。1989年，美國的Meltz發(fā)明摻鍺光纖光柵紫外側寫入技術，人們利用這一技術可以方便地制作各種常數(shù)的光纖光柵，使得成本大大降低，為其廣泛應用奠定了基礎。由于光纖光柵具有波長選擇性、與光纖系統(tǒng)兼容、插入損耗低、結構簡單、體積小、成本低廉等優(yōu)點，光纖光柵在通訊與傳感領域均有著廣泛的應用前景。光纖光柵用于傳感的主要優(yōu)點體現(xiàn)在能避免電磁場的干擾，電絕緣性好；不受潮濕環(huán)境影響；耐久性好，具有抵抗包括高溫(小于600℃)在內(nèi)的各種惡劣環(huán)境及化學侵蝕的能力，具有承受振動和沖擊的能力；質(zhì)量輕、體積小、對結構影響小、易于布置；既可以實現(xiàn)點測量，也可以實現(xiàn)分布式測量；絕對測量；節(jié)省線路，只用一根線就可以傳送結構狀態(tài)信號；信號、數(shù)據(jù)可多路傳輸，便于與計算機連接，單位長度上信號衰減?。混`敏度高，精度高；頻帶寬，信噪比高等。但是，由于裸光纖光柵特別纖細，外徑約為125微米左右，其主要成分是SiO2，因此特別脆弱，尤其它的抗剪能力很差，直接將其作為傳感元件在工程實際中遇到了布設工藝難題，根本不能適應混凝土結構粗放式生產(chǎn)方式與惡劣的服役環(huán)境，嚴重地制約了光纖光柵在土木工程中的應用。
纖維增強塑料是以連續(xù)纖維組成的復合材料。這種連續(xù)纖維首先浸漬在用于粘合纖維的聚合物中，然后加工成所需要的形狀。根據(jù)纖維種類的不同，纖維增強塑料可分為碳纖維增強塑料、玻璃纖維增強塑料和芳綸纖維增強塑料及混雜增強塑料等。纖維增強塑料具有抗拉強度高、重量輕、耐腐蝕、無磁性、耐疲勞、易加工等優(yōu)良特性。其中，纖維增強塑料棒材可做成普通鋼筋的形狀，被認為是鋼筋的一種可能的替代材料。碳纖維原絲纖維方向的抗拉強度可以達到普通鋼筋的十幾倍，而高彈模碳纖維的彈性模量可以達鋼材的2～3倍，并具有較高的防磁和防輻射性能，曾在軍工生產(chǎn)中用于隱行飛機、防磁和防輻射工程。但是，纖維增強塑料作為一種新型的有發(fā)展?jié)摿Φ慕ㄖ牧吓c技術也存在延性差的缺點，并不是要取代傳統(tǒng)的建筑材料—鋼材與混凝土，而是作為傳統(tǒng)建筑的一個重要補充，適于服役環(huán)境、耐久性、抗疲勞等方面要求高的重要工程結構，如地下結構、海洋工程，水利工程等。目前在美國、日本、加拿大等發(fā)達國家已經(jīng)成立了纖維增強塑料研究會，初步制定了結構設計的規(guī)范，并成功地用于了實際工程。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種結構簡單、使用方便、既可以替代或部分替代鋼筋作為受力構件，也具備智能傳感特性的纖維增強塑料—光纖光柵復合智能筋(FRP-OFBG)。本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的它包括纖維增強塑料筋，在纖維增強塑料筋中沿長度方向布設有光纖光柵。本發(fā)明還可以包括這樣一些結構特征1、纖維增強塑料筋表面為噴砂制成的麻面。2、纖維增強塑料筋表面纏繞樹脂。3、在一段傳感筋的尾端露出一段用于連接補償光纖光柵的光纖。4、光纖光柵位于纖維增強塑料筋的中心。5、光纖光柵之間具有一定長度間隔的光纖串。本實用新型產(chǎn)品的光纖光柵布置于纖維增強塑料筋中，是通過纖維增強塑料加工成形過程中將光纖光柵跟纖維束一起進入拉拔模具，經(jīng)過熱處理工藝有機地構成一體的。由于光纖光柵與纖維增強塑料固結良好，保證了光纖光柵與纖維增強塑料的協(xié)同變形，從而光纖光柵感應的應變就是纖維增強塑料的變形?？紤]土木工程結構長期健康監(jiān)測時溫度的影響與準分布測量的需要，在尾端設置一段露出的光纖，以便焊接溫度補償光纖光柵或串聯(lián)光纖光柵傳感元件。補償光纖光柵置于另一毛細金屬管中，保證其不受外力的影響。這種復合傳感筋兼具纖維增強塑料與光纖光柵的優(yōu)點，如輕質(zhì)高強、抗疲勞、耐腐蝕、傳感精度高(可達1～2με)、抗電磁干擾、準分布式傳感、絕對測量、抗潮防水、穩(wěn)定性與耐久性好等優(yōu)點。同時，這種復合傳感筋彌補了纖維增強塑料與光纖光柵各自的一些缺點，如光纖光柵克服了纖維增強塑料筋的自感知非線性問題；而纖維增強塑料是光纖光柵的一種優(yōu)良封裝保護，克服了裸光纖光柵難以適應鋼筋混凝土結構粗放式施工的要求，大大提高了光纖光柵的耐久性。這樣，纖維增強塑料-光纖光柵傳感筋就把纖維增強塑料的優(yōu)良力學特性、防銹耐久和抗電磁干擾特性與光纖光柵的優(yōu)秀傳感特性形成有機結合，極大地滿足了土木工程結構對力學性能與結構智能健康監(jiān)測的需要。此外，F(xiàn)RP-OFBG復合智能筋可以根據(jù)工程實際需要，切割成任意長度，使用非常方便，特別適于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。


圖1和2是本實用新型實施方案的結構示意圖。
(五)具體實施方案
以下結合附圖舉例對本實用新型做更詳細的描述結合圖1，F(xiàn)RP-OFBG復合智能筋的結構組成包括纖維增強塑料筋1，在纖維增強塑料筋中沿長度方向布設有光纖光柵2。本實用新型的產(chǎn)品可以采用這樣的方法來制作將光纖光柵與泡過環(huán)氧樹脂的纖維材料，如碳纖維、玻璃纖維、芳綸等，一起送入拉拔模具，經(jīng)過加熱、固化、冷卻三個熱處理過程有機地構成一體，同時在出爐時標注好光纖光柵的具體位置?？紤]光纖光柵的封裝保護，光纖光柵作為中間束送入，成形后光纖光柵正好處于纖維增強塑料的正中間。為了更好地與混凝土粘合，纖維增強塑料筋表面進行噴砂處理，使纖維增強塑料筋的表面形成麻面，或者是在纖維增強塑料筋外纏繞樹脂。為了充分發(fā)揮光纖光柵的準分布式傳感能力，送入的光纖光柵事先已經(jīng)熔接成具有一定長度間隔的光柵串。工程應用或試驗需要時，將加工成形的纖維增強塑料-光纖光柵傳感筋切割成任意所需的長度，并利用纖維的各向異性的特點在端部將光纖剝離出來，焊接到光纖跳線上即可。
結合圖2，考慮結構長期健康監(jiān)測的溫度補償或分布式傳感問題，每一段傳感筋的尾端露出一段光纖3，可以連接補償光纖光柵或其他光纖光柵傳感器。
權利要求1.一種纖維增強塑料-光纖光柵復合智能筋，其特征是它包括纖維增強塑料筋，在纖維增強塑料筋中沿長度方向布設有光纖光柵。
2.根據(jù)權利要求1所述的纖維增強塑料-光纖光柵復合智能筋，其特征是纖維增強塑料筋表面為噴砂制成的麻面。
3.根據(jù)權利要求1所述的纖維增強塑料-光纖光柵復合智能筋，其特征是纖維增強塑料筋表面纏繞樹脂。
4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的纖維增強塑料-光纖光柵復合傳感筋，其特征是在一段傳感筋的尾端露出一段用于連接補償光纖光柵的光纖。
5.根據(jù)權利要求1、2或3所述的纖維增強塑料-光纖光柵復合傳感筋，其特征是光纖光柵位于纖維增強塑料筋的中心。
6.根據(jù)權利要求4所述的纖維增強塑料-光纖光柵復合傳感筋，其特征是光纖光柵位于纖維增強塑料筋的中心。
7.根據(jù)權利要求1、2或3所述的纖維增強塑料-光纖光柵復合傳感筋，其特征是光纖光柵為熔接的具有一定長度間隔的光柵串。
8.根據(jù)權利要求4所述的纖維增強塑料-光纖光柵復合傳感筋，其特征是光纖光柵為熔接的具有一定長度間隔的光柵串。
9.根據(jù)權利要求5所述的纖維增強塑料-光纖光柵復合傳感筋，其特征是光纖光柵為熔接的具有一定長度間隔的光柵串。
10.根據(jù)權利要求6所述的纖維增強塑料-光纖光柵復合傳感筋，其特征是光纖光柵為熔接的具有一定長度間隔的光柵串。
專利摘要本實用新型提供的是一種纖維增強塑料－光纖光柵復合智能筋(FRP－OFBG)。它包括纖維增強塑料筋，在纖維增強塑料筋中沿長度方向布設有光纖光柵。具有輕質(zhì)高強、抗疲勞、耐腐蝕、傳感精度高、抗電磁干擾、準分布式傳感、絕對測量、抗潮防水、穩(wěn)定性與耐久性好等優(yōu)點。FRP－OFBG復合智能筋是兼具受力與傳感特性、集結構材料和功能材料于一體的理想土木工程材料；同時，它作為傳感元件徹底克服了光纖光柵脆弱、布設困難的缺點，可以根據(jù)工程實際需要，切割成任意長度，使用非常方便，特別適于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。在結構健康監(jiān)測領域具有十分廣闊的應用前景。
文檔編號E04C5/07GK2615230SQ0321314
公開日2004年5月12日 申請日期2003年5月15日 優(yōu)先權日2003年5月15日
發(fā)明者歐進萍, 周智 申請人:歐進萍, 周智