基于天线传感器的FRP-钢结构典型损伤监测方法研究

摘要

FRP材料由于其优良的比强度、比刚度等特点被越来越广泛地应用于钢结构加固或裂纹修复中，FRP覆盖下的裂纹与FRP端部脱胶是FRP-钢结构的两种典型损伤形式，也是结构安全的重要隐患。受FRP覆盖及FRP材料属性（如FRP的正交各向异性、CFRP的弱导电性）的影响，FRP覆盖下的钢结构裂纹状态监测难度大，有关FRP端部脱胶损伤监测的研究极少。本文设计了一种新型的双基质天线传感器实现FRP-钢结构的典型损伤监测。论文的主要工作及研究成果如下： 1）结合本文的研究对象，提出了“贴片-基质-FRP-钢结构”四层结构的双基质天线传感器损伤监测模型。根据共形映射理论和传输线模型，得出了双基质天线传感器的基频理论公式，阐述了天线传感器识别FRP覆盖下的钢结构裂纹的原理及基于天线传感器的FRP端部脱胶损伤监测机理，为后续的FRP-钢结构损伤识别研究提供了理论支撑。 2）采用天线传感器对FRP覆盖下的钢结构裂纹识别方法进行了研究，分析了裂纹监测灵敏度，探讨了裂纹小尺寸及裂纹方向对双基质天线传感器的影响。结果表明：谐振频率随裂纹长度的增加而减小，灵敏度则随裂纹长度的增加而提高；可识别的最小裂纹尺寸变量和最小裂纹长度均小于0.5mm；天线传感器监测30°斜裂纹的灵敏度是监测等长度直裂纹灵敏度的70%～90%。 3）针对FRP-钢结构端部脱胶损伤，推导了FRP-钢结构多层界面的应变传递数学关系，对FRP端部脱胶后的平均应变传递效率进行了定量研究，通过试验的方法得到了天线传感器谐振频率和微应变之间的线性关系，并通过多项式拟合获得了天线传感器灵敏度与脱胶长度之间的抛物线关系。 4）研究了CFRP的弱导电性、FRP厚度和应变对FRP-钢结构损伤监测的影响。结果表明：CFRP的弱导电性对测试信号有较大的干扰，但得到的规律与GFRP相似；FRP越厚，谐振频率越小，灵敏度越低；在一定的监测精度范围内，应变对天线传感器监测裂纹的影响很小，可忽略。 本文的研究成果为FRP-钢结构损伤监测提供了一种全新的研究思路，对研究复合结构损伤机理和保障FRP-钢结构安全具有重要的工程价值。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 FRP-钢结构的主要损伤类型

1.2.2 FRP-钢结构损伤识别研究现状

1.2.3 天线传感器测试方法研究

1.2.4 基质属性对天线传感器的影响

1.3 当前研究存在的主要问题

1.4 本文的主要研究内容与创新

1.4.1 研究内容

1.4.2 创新点

第2章 双基质天线传感器损伤测试机理

2.1 天线传感器工作原理

2.2 FRP-钢结构损伤测试物理模型

2.3 双基质天线传感器基频理论模型

2.4 天线传感器的设计

2.4.1 固有基质的属性对天线传感器的影响

2.4.2 贴片几何尺寸对天线传感器的影响

2.5 FRP-钢结构裂纹识别原理

2.6 FRP-钢结构脱胶监测机理

2.7 本章小结

第3章 FRP覆盖下的钢结构裂纹识别方法研究

3.1 FRP-钢结构裂纹损伤监测仿真分析

3.2 FRP-钢结构裂纹损伤监测试验研究

3.2.1 FRP覆盖下的钢结构裂纹试件的制作

3.2.2 裂纹识别试验装置

3.3 双基质天线传感器的灵敏度

3.3.1 裂纹监测灵敏度分析

3.3.2 裂纹小尺寸变化下的灵敏度

3.3.3 裂纹方向的影响

3.4 本章小结

第4章 FRP-钢结构脱胶损伤监测方法研究

4.1 FRP-钢结构多层界面应变传递关系

4.1.1 应变传递理论

4.1.2 FRP-钢结构脱胶损伤应变传递仿真分析

4.2 FRP-钢结构脱胶损伤监测试验研究

4.2.1 FRP端部脱胶试件的制作

4.2.2 脱胶监测试验平台

4.3 试验结果与分析

4.4 本章小结

第5章 FRP-钢结构损伤监测影响因素研究

5.1 弱导电性的CFRP可行性研究

5.1.1 CFRP覆盖下的裂纹识别试验

5.1.2 CFRP端部脱胶监测试验

5.2 第二层基质的厚度影响分析

5.2.1 FRP厚度与裂纹识别性能的关系

5.2.2 FRP厚度与脱胶监测性能的关系

5.3 应变-裂纹耦合试验

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的学术成果