基于碳纤维材料的预应力混凝土结构自感知特性及其应用基础研究

Carbon fiber composite reinforced materials not only have the load-bearing characteristics such as light weight, high strength and corrosion resistance, but also possess intelligence features such as self-sensing function. It will be a challenging task to develop pre-stressed concrete structures (referred to as the PC structures) with functions of self-sensing test by using these characteristics and it also will be one of the current emerging issues in the study in the field. Based on the research results acquired by the applicant and the team, the PC structure with CFRP cables is selected as the research object in this project, and the research about the application base of self-sensing testing system of the related structure is carried out. Main contents are: To study the preparation process and parameter matching method of carbon fiber composite materials with self-sensing properties; To explore the development methods and technology route based on smart sensors and self-sensing test function of related PC structure made from CFRP materials; To research the mechanisms of interaction between the self-sensing composite carbon fiber material and measured structure, pattern recognition theory and method, and the self-sensing signal processing and analysis technology through experimental study and theoretical analysis, etc. The focused study is the research and development of the carbon fiber self-sensing composite materials and the research about the application base of self-sensing testing system of the related structure. It is expected that the related research achievements combined with its load-bearing characteristics and intelligence features will provide theoretical and technical supports for the development and design of the smart CFRP pre-stressed long-span structures.

碳纤维复合增强（CFRP）材料不仅具有轻质、高强、耐腐蚀等承载特性，还具有自感知功能等智能特性，利用这些特性研制具有自感知测试功能的预应力混凝土结构（简称PC结构）将是具有挑战性的课题，也是当前该领域研究的热点问题之一。本项目在申请人及团队已有相关研究成果的基础上，选择CFRP索PC结构为研究对象，开展相关结构的自感知测试系统的应用基础研究。主要内容有：研究具有自感知特性的碳纤维复合材料的制备工艺及参数选配方法；探索基于CFRP材料的智能传感器及相关PC结构自感知测试系统的研发途径与技术路线；通过实验研究与理论分析，研究碳纤维自感知复合材料与被测结构间的相互作用机制、模式识别理论与方法及自感知信号处理与分析技术等。重点开展碳纤维自感知复合材料的研发及相关PC结构测试系统的应用基础研究。预期其承载特性与智能特性结合的相关研究成果将为智能CFRP索预应力大跨结构研发设计提供理论与技术支撑。

本项目通过试验研究、数值模拟、理论分析手段，重点研究了碳纤维传感元件所具备的力阻效应、温阻效应智能特性，建立了相应的数学物理模型，初步搭建了基于CFRP材料自感知特性的结构监测平台，探索了其在CFRP索预应力混凝土结构中的应用方法。主要研究成果有：1）探索了碳纤维材料的力阻特性、温阻特性作用机制，进行了CFRP传感元件的制备、改进和性能测试工作，提出了真空与刷胶制备工艺和改性材料的关键参数，实现了力学性能和传感特性的统一；2）建立了CFRP传感元件的力阻效应、温阻效应模型，并通过试验分析、数值模拟等方法对模型的准确性与可靠性进行了验证。3）构建了具有功能互补的新型碳纤维-光纤光栅自感知组合传感单元，搭建了与之配套的多电极测试电路及监测平台，并应用于钢筋混凝土梁、无粘结式CFRP索预应力混凝土梁（受拉区、受压区）的实时受力及损伤（变形、裂缝等）在线检测。4）研发了基于可编程逻辑电路构成的CFRP索预应力结构监测系统，初步实现了数据采集、转换、封装、传输、存储和显示等基础功能。. 通过此项目研究工作，课题组共培养了2位博士生、8位硕士；出版专著一部；发表学术论文20篇，其中SCI检索11篇、EI检索1篇；申请并获批专利12项，其中发明专利7项（授权2项），实用新型专利5项（授权1项）。在此项目牵引下成功申报了国家自然科学基金项目3项、江苏省自然科学基金项目1项。. 教育部科技查新工作站G06在国内外范围对本项目研究成果进行查新，查新报告结论指出：本项目中以下研究内容：①碳纤维传感元件的制备工艺及关键参数、②CFRP-FBG组合传感元件的构建方法与测试技术、③基于多电极测试电路的CFRP自感知监测平台、④CFRP传感元件力阻模型和温阻模型的建立与验证分析，在国内外公开发表的文献中未见报道。本项目于2019年2月15日顺利通过了江苏省土木建筑学会组织的专家鉴定，鉴定结论为：本研究对碳纤维传感材料制备工艺及工程设计的相关规范具有重要意义，研究成果达到国际先进水平。