本發(fā)明涉及工程結(jié)構(gòu)與傳感器領(lǐng)域,尤其涉及一種微預(yù)應(yīng)力技術(shù),具體涉及一種內(nèi)置式光纖傳感器的布設(shè)結(jié)構(gòu)及其方法。
背景技術(shù):
光纖傳感器有分布式和光柵光纖兩種,都可以內(nèi)置于混凝土結(jié)構(gòu)中。
由于混凝土施工比較粗放,灌注時的沖刷、為了密實化采取的搗振、拆卸模板時的敲擊都可能破壞纖弱的光纖,因此作為傳感器使用的光纖不宜為裸光纖(直徑125微米),大體可為二種類型:
1、緊包光纖,裸光纖經(jīng)過人字形纖維紡織套裝、或者用聚乙烯鎧裝,直徑0.6mm;
2、以各種方式再次緊包裹形成的光纖棒或光纖纜索,一般直徑6mm左右。
光纖棒采用拉擠型玻璃纖維增強高分子材料(glassfiberreinforcedpolymer,gfrp)包裹光纖,也可以(再)采用聚乙烯材料包裹;光纖纜索一般采用鋼絲繩,其中軸線為緊包光纖。
由于混凝土澆筑工程通常分很多節(jié)段,在日期上分階段施工,而節(jié)段長度往往只有3到10米,不適合逐段熔接;以上兩種光纖產(chǎn)品在內(nèi)置時,總難免展開、穿過鋼筋籠、然后再卷繞、懸掛存放的繁瑣過程。即使避免了穿過鋼筋籠,還難免要穿過復(fù)雜的措施結(jié)構(gòu),如腳手架、掛籃結(jié)構(gòu)和支架等,非常繁瑣。在混凝土養(yǎng)護期間,一部分光纖已經(jīng)置入,而另一部分光纖還以卷繞狀態(tài)放置一旁,亦容易折斷損壞;更有甚者,自由的光纖棒和光纖纜索具有一定的柔軟性,在混凝土截面上的臨時伸出點上,光纖容易發(fā)生折斷損壞。
通常以溝槽法內(nèi)置光纖效果不佳,會出現(xiàn)測量結(jié)果不穩(wěn)定、多次卸載后光纖衰減率異常增大、無法讀出測量結(jié)果等現(xiàn)象。
經(jīng)檢索,尚無在混凝土結(jié)構(gòu)表面開槽植入光纖并施加微預(yù)應(yīng)力的報道。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點和不足,提供一種內(nèi)置式光纖傳感器布設(shè)的結(jié)構(gòu)及其方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
一、內(nèi)置式光纖傳感器布設(shè)結(jié)構(gòu)
本結(jié)構(gòu)包括混凝土結(jié)構(gòu)10、光纖智能筋、壓塊、螺栓或螺釘和填補材料;
在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置有開槽,在開槽內(nèi)敷設(shè)有光纖智能筋,通過壓塊和螺栓或螺釘將光纖智能筋固定在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)。
二、內(nèi)置式光纖傳感器布設(shè)方法
①制作光纖智能筋:光纖棒或光纖纜索;
②在混凝土結(jié)構(gòu)上切槽并敷設(shè)光纖智能筋;
③對光纖智能筋施加微預(yù)應(yīng)力;
④填補開槽。
工作原理:
光纖只能感知伸長量而不能對壓縮量做出反應(yīng);另外,光纖傳感器的特點是光纖既是敏感元件同時又是傳輸介質(zhì);光纖受壓時,會發(fā)生局部彎曲,這種彎曲影響光的傳導(dǎo),導(dǎo)致衰減過大,信號微弱,影響全線檢測;因此,對光纖施加微預(yù)應(yīng)力,能使光纖在一定的受壓范圍內(nèi),對壓縮應(yīng)變?nèi)阅茏龀鲰憫?yīng)(原有伸長量變小),同時避免因局部彎曲而全線失效;如果不施加微預(yù)應(yīng)力,在卸載過程中光纖傳感器即會失效;在工程結(jié)構(gòu)正常使用過程中,難免會有反復(fù)的加、卸載過程,因此,微預(yù)應(yīng)力是光纖傳感器應(yīng)用于混凝土工程的關(guān)鍵技術(shù)。
本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果:
①敷設(shè)了光纖智能筋的混凝土結(jié)構(gòu)具有自監(jiān)測和自診斷功能
光纖智能筋既是混凝土結(jié)構(gòu)的一部分,有時可以取代某處的鋼筋,又是傳感器,可以測量應(yīng)變、應(yīng)力、溫度和混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂紋與位置等很多物理變化狀況;
②內(nèi)置式光纖傳感器具有穩(wěn)定性好、耐腐蝕、抗電磁干擾強、體積小、重量輕和精度高等優(yōu)點;
③可以機械化一次性作業(yè),提高了生產(chǎn)效率,避免了各階段反復(fù)施工的復(fù)雜性,光纖性能均勻,效果明顯;
④適用于道路、橋梁、隧道和地鐵等工程的施工與監(jiān)測。
附圖說明
圖1是本結(jié)構(gòu)的主視圖;
圖2是圖1的a-a剖視圖;
圖3是本方法的步驟流程圖。
圖中:
10—混凝土結(jié)構(gòu),11—開槽;
20—光纖智能筋,21—光纖;
30—壓塊;
40—螺栓或螺釘;
50—填補材料。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)說明:
一、結(jié)構(gòu)
1、總體
如圖1、2,本結(jié)構(gòu)包括混凝土結(jié)構(gòu)10、光纖智能筋20、壓塊30、螺栓或螺釘40和填補材料50;
在混凝土結(jié)構(gòu)10內(nèi)開有切槽11,在切槽11內(nèi)埋設(shè)有光纖智能筋20,通過壓塊30和螺栓或螺釘40將光纖智能筋20固定在混凝土結(jié)構(gòu)10內(nèi)。
2、功能部件
1)混凝土結(jié)構(gòu)10
混凝土結(jié)構(gòu)10是設(shè)置光纖智能筋20的母體。
2)光纖智能筋20
光纖智能筋20是將光纖21經(jīng)過預(yù)先加強形成的;
其內(nèi)是用人字形纖維紡織套裝、或用聚乙烯鎧裝裸光纖,直徑0.6mm左右;
其外是以各種方式再次緊包裹形成光纖棒或光纖纜索,直徑6mm左右。
3)壓塊30
壓塊30為通用件;
其功能是固定光纖智能筋20。
4)螺栓或螺釘40
螺栓或螺釘40為通用件;
其功能是固定光纖智能筋20。
5)填補材料50
填補材料50為混凝土或樹脂混凝土;
其功能是固定光纖智能筋20。
二、方法
本方法包括下列步驟:
①制作光纖智能筋:光纖棒或光纖纜索-1
用在混凝土結(jié)構(gòu)中的光纖21是經(jīng)過預(yù)先加強的,預(yù)先加強的光纖稱為光纖智能筋20:
a、用人字形纖維紡織套裝、或用聚乙烯鎧裝裸光纖,直徑0.6mm左右;
b、以各種方式再次緊包裹形成光纖棒或光纖纜索,直徑6mm左右;
典型的光纖棒是采用拉擠型玻璃纖維增強高分子材料(glassfiberreinforcedpolymer,gfrp)包裹光纖,或(再)采用聚乙烯材料包裹;
典型的光纖纜索采用不銹鋼鋼絲繩,它的中心線為緊包光纖;
這些經(jīng)過加強的光纖智能筋在施工過程中可以承受沖擊、震動和拖拽力等而不至于損壞,卻仍可以傳遞應(yīng)力、應(yīng)變和溫度而不失真。
②在混凝土結(jié)構(gòu)上開槽并放入光纖智能筋-2
以砂輪切割機為工具開槽,在混凝土結(jié)構(gòu)10的各階段完工后統(tǒng)一開槽,雖然早期澆筑的混凝土齡期已經(jīng)較長,后期完工的混凝土齡期較短,混凝土硬度不同,但是可以一次作業(yè)將光纖智能筋20全部植入,便于操作;較之配合混凝土的澆筑階段而作的分段作業(yè),具有維護簡便、光纖均勻性好等優(yōu)勢。
③對光纖智能筋施加微預(yù)應(yīng)力-3
所施加的微預(yù)應(yīng)力不需要定量,也不需要測定;
由于光纖對應(yīng)力應(yīng)變或溫度的響應(yīng)是線性的,預(yù)應(yīng)力的作用僅僅保持光纖的性能而不影響測量讀數(shù);
具體地說,儀器使用時需要調(diào)零,可以把新的狀態(tài)作為零點;
所施加的微預(yù)應(yīng)力可以用收緊器(一種螺桿裝置)施加,也可以用手動施加;施加微預(yù)應(yīng)力需要大體有一個范圍,因此需要大致定量,可以用位移法確定,即每10米或100米拉長多少厘米;
所施加的微預(yù)應(yīng)力,采用每隔一定距離設(shè)置夾板、夾扣或壓扣臨時加以維持,直到開槽被重新填補;
④填補開槽-4
對光纖智能筋施加微預(yù)應(yīng)力后,需要填補開槽;
填補材料為混凝土或樹脂混凝土;
采用混凝土填補時,為了保證填料不致收縮,配方除采用母材配方以外,還要加入少量膨脹劑;膨脹劑的使用劑量,經(jīng)過試驗,光纖智能筋所受的徑向壓力對測量結(jié)果的影響完全可以忽略不計,膨脹劑的使用劑量不影響測量結(jié)果;因此,膨脹劑劑量以本身不產(chǎn)生收縮裂紋、且不引起母體產(chǎn)生擠壓裂縫為度;
采用樹脂混凝土填補時,按照樹脂使用說明,先以樹脂配以固化劑,再添加石英砂等骨料形成填料,采取壓力泵擠出填料填補,也可采用手工涂抹的方式;樹脂的凝固時間一般設(shè)在4小時左右,樹脂混凝土的量也控制在4小時作業(yè)的工程量。
實施例:
1、先在混凝土結(jié)構(gòu)中開槽,通常采用雙刃砂輪切割機,同時切開左右兩條縫,然后用機械(電鉆)或手工(鑿子)鑿除中間體;通常槽的深度為1-4.5cm,以2cm為佳;保持底部平直,寬度一般在0.8-3cm,1.5cm為佳。
2、放入光纖智能筋(可以是1根,也可以是2根或多根),避免光纖智能筋扭轉(zhuǎn);為了確定光纖智能筋的張力,在光纖上標(biāo)記一定距離,比如10米(80m等),測定標(biāo)記原始長度。
3、實施微預(yù)應(yīng)力,光纖智能筋因此受力緊張;測量標(biāo)記段落的新長度,判斷是否達(dá)到設(shè)定的微預(yù)應(yīng)力。
4、每隔一定距離,通常為15m-100m,用夾板(夾扣、壓片)把光纖智能筋固定在結(jié)構(gòu)母體上,也就是槽的底部;當(dāng)然也可以把固定鋼釘或螺栓固定在槽的側(cè)面、甚至外邊,并用墊片夾緊;由此維持光纖智能筋保持一定的微預(yù)應(yīng)力;也就是說,保持張拉后的緊張程度;檢查本段的微預(yù)應(yīng)力是否有失效(變松弛)情況,如果有,需要松開相應(yīng)的夾板,重新張拉并再次用夾板固定。
5、全線鋪設(shè)后,檢查各段的微預(yù)應(yīng)力是否正常,如果有異常,要加以調(diào)整,需要松開相應(yīng)的夾板,重新張拉并再次用夾板固定。
6、檢查全線光纖智能筋張力正常后,用激光筆或其他檢測設(shè)備,驗證光路暢通;然后用填補料將開槽填實,如果以混凝土填補,需要做必要的養(yǎng)護(保持濕度)填補料固化后,作業(yè)即全部完成。