[发明专利]一种压电材料和碳纤维复合布式的土木结构加固和监测装置及方法

说明书

本发明公开了一种压电材料和碳纤维复合布式的土木结构加固和监测装置及方法，该方法在利用碳纤维材料加固结构的同时，通过对位置相对的两个压电材料传感器之间激发的应力波在加固结构的混凝土内部和表面，以及加固结构和碳纤维布材料的交界面的传播和衰减特性的判断，来感知加固结构在服役期内的缺陷和病害，包括混凝土内部裂缝、孔洞，碳纤维布与加固主体的脱胶、滑移等。所述压电材料传感器通过高性能环氧树脂类粘结胶与碳纤维材料相集成融合，制成的新型碳纤维布通过加固粘接剂铺设在被加固结构上。本发明可对加固结构在服役期间的健康状况进行长期在线地监测，对加固结构的服役安全做出及时有效地评估，成本低廉。

技术领域

本发明属于土木工程结构领域，涉及一种土木结构加固监测技术，具体涉及一种压电材料和碳纤维复合布式的土木结构加固和监测装置及方法。

背景技术

土木结构主要包括混凝土结构、钢结构和组合结构，处于自然环境中的土木工程结构从服役开始就不断累积由环境侵蚀、材料老化、荷载的长期效应、疲劳效应以及突变效应等不利因素耦合作用下产生的损伤，随着结构的强度和刚度逐渐降低，导致结构的安全性、适用性和耐久性受到严重影响。此外，许多已经接近或达到设计基准期的工程结构也迫切需要进行维修加固。针对此种情形，碳纤维增强材料(Carbon Fiber ReinforcedPolymer,CFRP)因其轻质高强、耐腐蚀性和耐久性强、施工便捷、对结构影响小等优点在工程加固领域被广泛采用。

结构加固后，为了及时获取和了解其在后续服役阶段的健康状况和抗震性能变化情况，保障整个加固建筑结构的后期服役安全，利用智能感知传感器对加固后结构的工作状态和性能退化趋势进行监测和识别是一种具有广阔应用前景的新技术。压电材料包括压电陶瓷、压电晶体片以及压电薄膜等，以其优良的机电特性和体积小、重量轻、造价低、响应快、灵敏度高、加工方便、使用寿命长等优点为结构局部区域或关键部位的实时在线监测和监测提供了新的解决方案。但是目前，现有技术中还缺乏将结构健康监测和结构维修加固有机结合的相关技术。

发明内容

本发明的目的在于提出一种土木工程结构加固与状态监测复合技术，充分利用集成在碳纤维材料上的压电材料的特性，将其作为作动器和传感器，在实现结构加固的同时，又可以通过分析位置相对的两个压电材料之间压电应力导波传播性能，监测识别碳纤维布脱落、空隙等缺陷，以及加固主体内部孔洞、裂纹等损伤。该技术能够长期有效地提供土木结构的状态信息，为加固结构的长期健康服役提供保障。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种压电材料和碳纤维复合布式的土木结构加固和监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，将成对的压电材料传感器固定在碳纤维布上，并在压电材料传感器表面进行防水绝缘处理；

步骤二，将复合了压电材料传感器的碳纤维布通过粘结剂敷设在待加固结构上，成对的压电材料传感器分别位于被加固结构采样点两侧相对位置，将成对的两个压电材料传感器分别作为监测系统的信号驱动器和信号接收器；

步骤三，将压电材料传感器分别通过线缆连接到数据采集卡，然后将数据采集卡与电脑终端相连；

步骤四，电脑终端通过线缆控制数据采集卡产生一定频段的激励电压信号，并通过数据采集卡输出到作为信号驱动器的压电材料传感器，激励电压信号驱动压电材料传感器发生机械振动，产生压电应力波，并在加固结构内部及表面传播；应力波信号被加固结构另一侧表面的压电材料传感器接收并转化为电压信号，经线缆传输到数据采集卡的输入端，之后数据采集卡将接收到的电压信号转化为数字信号，并传输到电脑终端；