复合结构界面损伤劣化过程的光纤监测方法与流程

本发明属于结构智能健康监测和检测技术领域，涉及到的是一种cfrp加固基体形成的复合结构界面损伤劣化过程监测方法。

背景技术：

为促进区域经济的合作和城市发展，钢结构在大跨度桥梁、高速铁路、超高层建筑和海底沉管隧道等重要基础设施中的应用日趋频繁。随着服役年限的增长及极端恶劣环境(如地震、台风、火灾、大气污染等)作用，这些钢结构的局部位置或关键构件会因损伤(如大变形、裂纹、锈蚀等)缺陷的出现而导致承载能力降低、耐久性变差。由于新建或更换结构需要耗费较多的人力和物力资本，为避免局部损伤累积引发结构整体的失效，最经济有效的方式是对这些结构进行维修加固处理以恢复其抗力功能。

碳纤维增强复合材料(carbonfiberreinforcedpolymer，简称cfrp)以自重轻、强度和刚度高、耐腐蚀、热膨胀系数小、稳定性好、优良的抗疲劳性能、可设计性(改变组分和含量及纤维纵横向布置方式调节复合材料性能)及易整体成型等优势被用于结构的加固。cfrp加固件具备自适应几何形状，可形成复杂曲面结构，对封闭或形状复杂的结构进行全面加固，无需钻孔；连续的面际连接比仅依靠边缘粘结的焊接具有更好的加固效果，变形分布较均匀，降低应力集中风险。试验证明该种加固方法能有效降低基体结构的应力水平、延缓基体损伤出现的时间和扩展速率，间接地实现结构服役寿命的增长。该种技术同样可以推广应用到飞机、船体和输油管道等金属或合金结构的加固和修复。这种由cfrp和钢材组成的复合结构具备较好的力学性能。然而，由于材料组分及力学性能的差异，该种复合结构的界面特征明显。该界面在服役一段时间后,可能由局部应力过大或长周期日温差和季节变换作用削弱界面粘结强度而发生剥离，影响复合结构的承载性能，导致加固失效。因此，获取较准确的界面剥离承载力、界面本构模型和界面失效机理是复合结构优化设计的理论基础。

当前，国内外较多学者对cfrp加固钢梁复合结构在温度和湿度、氯盐和冻融、冲击荷载等因素及其耦合作用下的抗弯/剪性能、刚度、界面粘结、耐久性、抗火极限、疲劳特征及破坏模式等进行了试验研究，并同时在实验过程中采用数字图像技术(digitalimagecorrelation，简称dic)观测cfrp加固结构的表观变化以诊断界面剥离损伤。由于界面互相作用的不可见及界面劣化的渐变特点，这种实验和图像观测技术较难记录其过程，只能粗略地表征结果，无法获取界面损伤发生前、发生后及发生过程中相关物理参数的变化，因此，无法为界面失效机理模型的建立提供有效连续科学的数据。其它的无损检测方法(如声发射技术、超声探测技术及外红热成像技术等)也有类似局限性，且存在连续观测成本高、灵敏度低、不易实时控制等缺陷。因此，需要发展经济有效的监测技术，实时连续跟踪复合结构界面损伤劣化的发展，以实现界面损伤的在线识别和界面失效机理模型的精准确立，从而为界面损伤的修复控制和符合结构优化设计提高有效的数据积累和科学指导。

鉴于此，本文提出了一种cfrp加固钢梁的复合结构成型过程跟踪、加固效果评定和界面损伤劣化过程表征的光纤监测方法，其核心是根据加固钢基体的几何物理特征和测试需求，在cfrp层状材料中构建分布式光纤和准分布式光栅串，在cfrp加固件中形成兼顾整体较高精度和局部高精度测试的光纤传感网络，实时连续测试cfrp加固钢梁复合结构的成型过程和服役过程中相关温度和应变状态信息分布，实现复合结构状态和界面损伤过程信息的全历程监测。该种复合结构及其界面信息表征的光纤监测方法可以测试复合结构成型过程中温度场变化及温度应力影响，成型后的结构变形、承载性能和加固效果及长期服役过程中界面损伤劣化的时空特征，为cfrp-钢梁基体组成的复合结构界面失效机理模型的建立和优化设计理论提供科学的数据积累，并服务于加固复合结构安全状态评定和寿命预测。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种cfrp加固钢梁基体的复合结构成型过程监测、加固后承载效果评定及长期服役过程中界面损伤劣化过程表征的光纤监测方法，解决结构健康监测领域复合结构成型过程中温度场和温度应力作用特征规律不易提取、在役复合结构实时承载性能和加固状态定量评定困难、内部界面作用影响不被测定、界面损伤劣化过程不易被识别、界面失效机理模型数据不易获取等基础科学研究和工程应用问题。

本发明的技术方案是：

一种复合结构界面损伤劣化过程的光纤监测方法，在cfrp层状材料中分别沿纵向和横向构建呈u型排列的分布式光纤传感探头1和呈u型排列的准分布式光栅串传感探头2，二者在cfrp层状材料中呈前后布置，整体形成内嵌光纤传感网络探头的cfrp加固件3，并采用高强粘结剂将具备整体结构加固和局部信息感知功能的cfrp加固件3黏贴于被加固基体4上，形成复合结构；复合结构成型过程中温度场和温度应力变化、承载过程中应力应变响应、长期服役过程中界面损伤的跨尺度劣化将通过界面相互作用传递到cfrp加固件3中的光纤传感网络探头，实现复合结构整体和局部状态信息测量和界面损伤劣化过程的全历程信息监测。

一种复合结构成型过程监测、加固效果评定及界面损伤劣化过程量化表征的光纤监测方法，其实现步骤是：为获取复合结构的安全状态和界面损伤劣化规律，根据基体的几何物理特征、加固和测试需求，设计cfrp材料的层厚和几何尺寸及内嵌cfrp层状材料中沿纵向和横向布置的呈u型排列的分布式光纤和准分布式光栅串；采用真空袋压技术将内嵌光纤传感网络的cfrp层状材料初次成型，采用热压罐成型技术二次成型cfrp加固构件，以形成兼顾整体较高精度和局部高精度全局全尺度测试的光纤传感网络探头，并采用激光器检测光纤传感网络探头的光路连通状态；通过基础材料拉伸试验检测cfrp加固件的结构性能和感知性能，在此基础上施加冲击荷载和疲劳荷载检验其在不同工况作用下的变形和强度及耐久性；根据基体结构的承载特征和抗力恢复需求，采用高强粘结剂将cfrp加固件黏贴在基体特定位置，并同时采用光纤解调设备和配套的电脑分别解调、存储和输出cfrp加固基体的复合结构成型过程中温度和温度应力变化特征；在复合结构承载过程中，cfrp加固件中的光纤传感网络探头将实时连续监测其温度、应力和变形状态信息，并据此评估加固效果是否达到预期设计值；在复合结构的长期服役过程中，加固件中的光纤传感网络探头将长期连续跟踪结构状态信息及界面损伤出现前/后劣化过程和失效破坏模式，并结合界面力学作用相关理论建立界面损伤失效机理模型，实现复合结构整体和局部状态信息测量、界面损伤劣化过程表征及结构安全的全历程信息监测。

该种光纤监测方法通过将光纤传感网络探头在加固cfrp结构成型过程中嵌入cfrp层状材料的方式，使加固件具备感知功能，复合结构成型过程、服役状态和界面损伤失效的响应信息通过界面相互作用传递到cfrp加固件的光纤传感网络探头，从而实现全历程变化的跟踪监测。

所述的界面损伤劣化过程，是指cfrp加固件和基体之间的粘结界面出现软化、局部剥离和整体失效的损伤发展规律。

所述的cfrp加固件，是指内嵌兼顾整体和局部全尺度信息监测的光纤传感网络探头的智能化加固件，同时具备结构加固和感知功能。

所述的光纤传感网络探头，是指纵向呈u型排列的分布式光纤传感探头和横向呈u型排列准分布式光栅串探头。

本发明的效果和益处是：为监测cfrp加固基体的复合结构成型过程中温度场和温度应力作用机理、整体和局部服役状态监测、界面损伤劣化过程量化表征提供了一种全尺度的光纤监测方法；解决复合结构全生命周期过程中初始内应力形成规律不明确、服役过程中结构整体和局部信息获取成本高、界面损伤劣化过程不易被有效连续跟踪、损伤发生不易被识别、隐蔽性损伤全历程信息不易获取等结构健康监测领域技术和成本兼顾及平衡的难题；实现了复合结构成型、服役和长期服役过程中结构安全状态和界面损伤劣化过程的全尺度和全历程信息监测，为重大交通运输和生命线工程结构的快速加固、效果评定、损伤诊断和剩余寿命预估等提供可靠的技术和方法支持。

附图说明

图1是内嵌cfrp层状材料的纵向呈u型排列的分布式光纤传感探头。

图2是内嵌cfrp层状材料的横向呈u型排列的准分布式光栅串探头。

图3是具备整体和局部信息感知功能的cfrp加固件示意图。

图4是由cfrp加固件黏贴于基体下表面形成的复合结构示意图。

图5是复合结构界面损伤(以局部剥离为例)劣化过程的光纤监测方法。

图中：1呈u型排列的分布式光纤传感探头；2呈u型排列的准分布式光栅串探头；3内嵌光纤传感网络探头的cfrp加固件；4被加固基体；5界面局部剥离损伤。

具体实施方式

以下结合技术方案(和附图)详细叙述本发明的具体实施方式。

一种跟踪cfrp加固基体的复合结构成型过程、整体和局部状态信息、界面损伤劣化过程的光纤监测方法，其光纤传感探头的结构示意图如图1和图2所示；其使用的感知型cfrp加固件结构示意图如图3；cfrp加固基体的复合结构如图4；复合结构界面局部剥离的光纤监测方法如图5所示。

复合结构整体和局部信息及界面损伤劣化过程表征的光纤监测方法，其实施方式如下：

首先根据被加固基体结构的几何物理特性、荷载和约束方式及损伤和失效模式，基于结构抗力恢复需求，确定cfrp加固件的几何构造、层厚和固化成型工艺；然后，根据整体和局部特征信息的测量需求，设计纵向分布式光纤的行数和横向准分布式光栅串的列数，并确定其分cfrp层布设位置；其次，采用真空袋压技术和热压罐成型技术将内嵌光纤传感网络的cfrp多层材料固化形成具备感知功能的cfrp加固件，并选用高强粘结剂将cfrp加固件黏贴于基体表面，并将光纤传感网络探头连接到解调设备并通过电脑可视化跟踪监测cfrp加固基体的复合结构成型过程中温度场和物理参量变化；在复合结构长期服役的界面损伤发生前、损伤劣化和失效破坏过程中，将结构特征参数识别技术用于解读分层和分尺度的光纤感知数据，以量化评定复合结构的抗力恢复程度、加固效果和界面损伤劣化轨迹，并为界面损伤失效机理模型的建立提供可靠稳定的全历程监测数据。