測量cfrp加固鋼結構疲勞裂紋擴展規(guī)律的裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及材料疲勞性能檢測技術領域，尤其涉及一種測量CFRP加固鋼結構疲勞 裂紋擴展規(guī)律的裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 隨著鋼結構在橋梁、高層建筑、起重機、海洋平臺、體育場館等領域的廣泛使用，受 環(huán)境條件和外界載荷的影響，裂紋在鋼結構中普遍存在。裂紋的存在大大降低了鋼結構的 承載力和壽命，為消除安全隱患，需對其進行加固修復。傳統(tǒng)的鋼結構加固方法有焊接、鉚 接和螺栓連接等，這些方法雖然有一定的加固效果，但也會帶來一系列新的問題，如產(chǎn)生新 的應力集中和殘余應力等。
[0003] 碳纖維增強復合材料(CFRP)加固鋼結構是近年發(fā)展起來的新技術。CFRP用膠水粘 貼在鋼結構受損部位，通過膠層的形變，一部分載荷傳遞到CFRP片材上，降低了受損部位的 應力值，"鋼結構-膠層-CFRP"共同受力，制約了裂紋的擴展。該技術克服了上述各種方法的 缺點，由于CFRP具有自重輕、比強度高、抗疲勞性能和耐腐蝕性好、施工便捷等優(yōu)點，CFRP加 固鋼結構的技術得到越來越廣泛的應用。
[0004] 為了探討CFRP加固鋼結構的疲勞裂紋擴展規(guī)律，評估該技術的修復效果，必須對 修復結構進行試驗研究，以實測數(shù)據(jù)作為支撐。現(xiàn)有的疲勞裂紋擴展規(guī)律測量方法主要有 目測法、電位法、柔度法等。裂紋在CFRP覆蓋下無法觀測其擴展情況，因此不能用目測法；電 位法易受環(huán)境因素的影響，精度低;柔度法需通過相關物理量的變化值換算成裂紋擴展長 度，換算過程較為繁瑣，容易造成誤差。上述方法主要針對無加固下疲勞裂紋擴展速率的測 量，而含裂紋鋼結構在CFRP覆蓋下的疲勞裂紋擴展路徑和速率卻無法實時監(jiān)測。
[0005] 目前涉及CFRP加固鋼結構疲勞裂紋擴展規(guī)律的專利還未見報道。申請?zhí)枮?201420457865.6的專利"結構裂紋檢測裝置"，可監(jiān)測裂紋擴展路徑和裂紋尖端應力場強弱 的變化。由于該裝置的銅線需布置在環(huán)氧樹脂基底板上，故無法用于CFRP加固下裂紋的監(jiān) 測。且裂紋尖端有奇異性，裂紋在擴展時，裂紋尖端的應力趨于無窮大，應力的大小不再作 為裂紋擴展的強度條件，因此裂紋尖端應力場強弱的監(jiān)測并無很大意義，而應用疲勞裂紋 擴展速率來研究裂紋的擴展情況。申請?zhí)枮?01110168553.4的專利"疲勞裂紋擴展速率自 動測量裝置及方法"，可通過計算機程序?qū)嗔丫€斷裂次序與時間的關系換算成裂紋長度 與時間的關系，從而得到疲勞裂紋擴展速率。該方法沒有控制斷裂線之間的距離，易產(chǎn)生誤 差。該裝置適用于規(guī)則裂紋的測量，而對復雜的不規(guī)則裂紋，則無法監(jiān)測裂紋擴展的路徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術問題在于針對現(xiàn)有技術中測量疲勞裂紋的方法易產(chǎn)生誤差， 且無法監(jiān)測CFRP覆蓋加固下復雜不規(guī)則裂紋的缺陷，提供一種能夠智能的、準確的測量 CFRP加固鋼結構疲勞裂紋擴展規(guī)律的裝置及方法。
[0007] 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0008] 本發(fā)明提供一種測量CFRP加固鋼結構疲勞裂紋擴展規(guī)律的裝置，包括橫向測量單 元和縱向測量單元；
[0009] 所述橫向測量單元包括設置在被測試件上的多根橫向平行排列的橫向光纖，還包 括與所述橫向光纖相連的第一光電傳感器，用于將所述橫向光纖的光信號轉換為橫向電信 號;所述第一光電傳感器的另一端連接有第一顯示器，用于根據(jù)橫向電信號顯示每根所述 橫向光纖的通斷情況；
[0010] 所述縱向測量單元包括設置在被測試件上的多根縱向平行排列的縱向光纖，還包 括與所述縱向光纖相連的第二光電傳感器，用于將所述縱向光纖的光信號轉換為縱向電信 號;所述第二光電傳感器的另一端連接有第二顯示器，用于根據(jù)縱向電信號顯示每根所述 縱向光纖的通斷情況；
[0011] 所述橫向光纖和所述縱向光纖在光纖粘貼區(qū)內(nèi)垂直相交，所述橫向光纖和所述縱 向光纖的斷裂韌性與所述被測試件一致;所述第一顯示器和所述第二顯示器的另一端連接 有數(shù)據(jù)處理單元，所述數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)接收到的每根光纖的斷裂時間及斷裂位置計算所 述被測試件裂紋的擴展路徑和疲勞裂紋的擴展速率。
[0012] 進一步地，本發(fā)明的所述第一顯示器和所述第二顯示器上均設置有多個指示燈， 所述第一顯示器上指示燈的數(shù)量與所述橫向光纖的數(shù)量相同，所述第二顯示器上指示燈的 數(shù)量與所述縱向光纖的數(shù)量相同，每個指示燈分別與每根光纖相對應，用于顯示光纖的通 斷。
[0013] 進一步地，本發(fā)明的所述橫向光纖和所述縱向光纖的一端均設置有光源。
[0014] 本發(fā)明提供一種測量CFRP加固鋼結構疲勞裂紋擴展規(guī)律的方法，包括以下步驟：
[0015] S1、在被測試樣的裂紋擴展區(qū)粘貼多根橫向等間距平行布置和縱向等間距平行布 置的光纖，并根據(jù)測量精度確定其間距;在裂紋表面粘貼CFRP加固并修復裂紋，并將粘貼好 的光纖分別與光源、光電傳感器連接，將光電傳感器的輸出端依次與顯示器和數(shù)據(jù)處理單 元連接；
[0016] S2、進行疲勞試驗:裂紋隨著疲勞載荷循環(huán)次數(shù)的增加而發(fā)生擴展，光纖隨裂紋尖 端張開位移的增大而斷裂，顯示器上對應的指示燈熄滅，數(shù)據(jù)處理單元記錄各個指示燈的 熄滅時間；
[0017] S3、數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)光纖的間距和指示燈熄滅的先后順序，擬合出裂紋的擴展 路徑，并根據(jù)擴展路徑和每兩個相鄰指示燈的熄滅時間間隔，計算出各個時間間隔內(nèi)的裂 紋擴展量；
[0018] S4、數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)疲勞載荷的周期和每兩個相鄰指示燈的熄滅時間間隔，得 到該時間間隔內(nèi)的載荷循環(huán)次數(shù)，并結合對應的裂紋擴展量得出疲勞裂紋的擴展速率。 [0019]進一步地，本發(fā)明的步驟S4中載荷循環(huán)次數(shù)的計算公式為：
[0021] 其中，T為疲勞載荷周期，ΔΤ為兩個相鄰指示燈的熄滅間隔時間。
[0022] 進一步地，本發(fā)明的步驟S4中疲勞裂紋擴展速率的計算公式為：
[0024] 其中，Aa為兩個相鄰指示燈的熄滅間隔時間內(nèi)的裂紋擴展量，ΔΝ為載荷循環(huán)次 數(shù)。
[0025] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明的測量CFRP加固鋼結構疲勞裂紋擴展規(guī)律的裝 置及方法，通過光纖將光信號轉換為電信號，把裂紋在CFRP覆蓋粘貼下的擴展情況轉變?yōu)?可視化的指示燈的熄滅，能夠?qū)崟r監(jiān)測裂紋在CFRP加固下的擴展路徑和擴展速率;并且可 以根據(jù)測量精度的不同要求設置光纖的間距，滿足復雜不規(guī)則裂紋的擴展路徑監(jiān)測的要 求;并且本裝置結構簡單，成本低，自動化程度高，易于測量，可全程實時監(jiān)測裂紋的擴展情 況。
【附圖說明】
[0026] 下面將結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：
[0027] 圖1是本發(fā)明實施例的測量CFRP加固鋼結構疲勞裂紋擴展規(guī)律的裝置的結構示意 圖；
[0028] 圖2是本發(fā)明實施例的測量CFRP加固鋼結構疲勞裂紋擴展規(guī)律的裝置的光纖隨裂 紋擴展而斷裂的示意圖；
[0029]圖3是本發(fā)明實施例的測量CFRP加固鋼結構疲勞裂紋擴展規(guī)律的裝置的顯示器的 結構示意圖；
[0030] 圖4是本發(fā)明實施例的測量CFRP加固鋼結構疲勞裂紋擴展規(guī)律的方法的流程圖；
[0031] 圖5是本發(fā)明實施例的測量CFRP加固鋼結構疲勞裂紋擴展規(guī)律的方法的詳細流 程；
[0032]圖中，1-被測試件，2-橫向光纖，3-縱向光纖，4-光纖粘貼區(qū)，5-第一光電傳感器， 6_第二光電傳感器，7-第一顯示器，8-第二顯示器，9-數(shù)據(jù)處理單元，10-指示燈。
【具體實施方式】
[0033]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0034] 如圖1所示，本發(fā)明實施例的測量CFRP加固鋼結構疲勞裂紋擴展規(guī)律的裝置，包括 橫向測量單元和縱向測量單元；
[0035] 橫向測量單元包括設置在被測試件1上的多根橫向平行排列的橫向光纖2,還包括 與橫向光纖2相連的第一光電傳感器5,用于將橫向光纖2的光信號轉換為橫向電信號;第一 光電傳感器5的另一端連接有第一顯示器7,用于根據(jù)橫向電信號顯示每根橫向光纖2的通 斷情況；
[0036] 縱向測量單元包括設置在被測試件1上的多根縱向平行排列的縱向光纖3,還包括 與縱向光纖3相連的第二光電傳感器6,用于將縱向光纖3的光信號轉換為縱向電信號;第二 光電傳感器6的另一端連接有第二顯示器8，用于根據(jù)縱向電信號顯示每根縱向光纖3的通 斷情況；
[0037] 第一顯示器7和第二顯示器8上均設置有多個指示燈10,第一顯示器7上指示燈10 的數(shù)量與橫向光纖2的數(shù)量相同，第二顯示器8上指示燈10的數(shù)量與縱向光纖3的數(shù)量相同， 每個指示燈10分別與每根光纖相對應，用于顯示光纖的通斷。
[0038] 橫向光纖2和縱向光纖3在光纖粘貼區(qū)4內(nèi)垂直相交，橫向光纖2和縱向光纖3的斷 裂韌性與被測試件1 一致;第一顯示器7和第二顯示器8的另一端連接有數(shù)據(jù)處理單元9,數(shù) 據(jù)處理單元9根據(jù)接收到的每根光纖的斷裂時間及斷裂位置計算被測試件1裂紋的擴展路 徑和疲勞裂紋的擴展速率。
[0039] 在本發(fā)明的另一個實施例中，該裝置由兩組組件構成，一組是由第一光源、橫向光 纖、第一光電傳感器、第一顯示器組成，另一組是由第二光源、縱向光纖、第二光電傳感器、 第二顯示器組成，兩組組件均與計算機相連。第一光源和第二光源分別為橫向光纖和縱向 光纖提供光源。
[0040]圖1中虛線區(qū)域為裂紋擴展區(qū)，也是光纖粘貼區(qū)，在該區(qū)域粘貼橫向光纖和縱向光 纖。橫向光纖和縱向光纖的規(guī)格一致，只是布置的方式不一樣，且橫向光纖和縱向光纖的斷 裂韌性與被測試件一致，用于保證該處光纖與其下表面的試樣斷裂時間同步。
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