基于形状记忆合金的钢-混凝土界面损伤监测及加固方法技术

本发明专利技术属于土木工程组合结构加固与健康监测领域，涉及一种基于形状记忆合金的钢‑混凝土界面损伤监测及加固方法。本发明专利技术将形状记忆合金丝埋置在混凝土内，与组合梁内界面连接栓钉及型钢梁相连，或固定在界面连接栓钉表面，外部测量控制系统通过监测形状记忆合金丝电阻及长度变化，得到界面相对滑移及栓钉变形损伤信息。当组合梁界面损伤程度超过一定阈值时，对形状记忆合金丝进行加温控制，形状记忆合金丝沿组合梁内界面滑移或栓钉变形反方向施加恢复力，进行界面加固。若界面损伤程度较严重，还可通过预留的灌浆口对界面进行灌浆、加固。本发明专利技术实施方案简单、灵活、可行性强且兼容性好，可以实现长周期内组合梁的界面监测和主动可调节加固。

【技术实现步骤摘要】
基于形状记忆合金的钢-混凝土界面损伤监测及加固方法
本专利技术属于土木工程组合结构加固与健康监测领域，涉及一种基于形状记忆合金的钢-混凝土界面损伤监测及加固方法。
技术介绍
钢-混凝土组合梁是一种新兴结构构件，具有自重轻、刚度大、承载能力强、延性好、施工方便等诸多优点，各类新型建筑和特殊建筑结构中得到广泛应用，如超高层结构、重型工业建筑、大型桥梁和大跨度空间结构等。钢-混凝土组合梁主要通过在下部型钢梁和上部钢筋混凝土翼缘板之间设置剪力连接件(如栓钉、螺栓、槽钢、弯筋等)，使之成为一个整体而共同工作，钢和混凝土具有不同的材料属性，荷载作用下，二者交界面处可能存在掀起及相对滑移。作为组合结构中的关键承重构件，界面滑移将降低结构承载力、延性等工作性能，进而导致结构破坏，造成灾难性后果。因此，对组合梁进行界面安全监测、加固，有利于保障组合结构整体安全性和耐久性，具有重大经济效益和社会利益。形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy，简称SMA)是一种具有形状记忆效应、超相变超弹性和髙阻尼的新型功能材料。SMA可感知温度、磁场等变化并将热能转换成机械能，对外输出力、位移或储存并释放能量。SMA还具有可恢复变形大、受限回复力大、电阻对应变敏感、耐腐蚀、抗疲劳性能好，可加工性能好,易于同混凝土、钢等材料相结合、弹性模量随相变状态的改变而变化等特点，是土木工程中首选的驱动元件之一。现有组合结构梁的监测手段主要集中在变形、振动等方面：如通过监测组合梁跨中及支座位移，得到结构整体变形情况，通过监测组合梁振型、频率及曲率的变化，识别其损伤程度。现有方法虽然能够识别结构损伤情况，但偏于宏观，只有当结构发生较大损伤时，振型、频率等才会发生明显变化。现有组合结构加固方法也以表面宏观加固为主，如对在役组合梁施加体外预应力，包裹FRP复合材料等。考虑到结构宏观损伤时微观损伤不断发展的最终体现，开展对组合结构微观损伤(如界面滑移、连接件变形、混凝土开裂等)的监测，并及时采取相关加固、维护措施，可以防患于未然，有效杜绝结构严重损伤的发生，进而保证结构安全性和耐久性。目前关于组合结构界面微观损伤的研究较少，尚无钢-混凝土组合梁界面损伤监测的有效方法。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种基于形状记忆合金的钢-混凝土界面损伤监测及加固方法，用于实时监控钢-混凝土组合梁界面损伤状态，并针对不同的损伤水平对组合界面进行不同程度的加固。充分利用形状记忆合金丝SMA的温度和电阻性能特点，将形状记忆合金丝SMA埋置在混凝土内，与组合梁内界面连接栓钉及型钢梁相连，或缠绕、固定在界面连接栓钉表面，形状记忆合金丝SMA通过导线W与外部测量控制系统MC相连，测量控制系统MC实时监控形状记忆合金丝SMA电阻及长度变化，由此得到组合梁内相对滑移及栓钉变形损伤。当组合梁界面损伤程度超过一定阈值时，触发测量控制系统MC对形状记忆合金丝SMA进行加温控制，形状记忆合金丝SMA沿组合梁内界面相对滑移或栓钉变形反方向施加恢复力，对组合梁界面进行加固。若界面损伤程度较严重(如合金丝断裂等)，还可通过预留的孔洞对组合梁界面进行灌浆、修复。本专利技术实施方案简单、灵活、可行性强且兼容性好，可以实现长周期内组合梁的界面监测和主动可调节加固。本专利技术的技术方案：一种基于形状记忆合金的钢-混凝土界面损伤监测及加固方法，具体步骤如下：钢-混凝土组合梁主要由下部的型钢梁SB、上部的钢筋混凝板RCS和界面连接栓钉HS组成，界面连接栓钉HS用于将上部的钢筋混凝板RCS和下部的型钢梁SB连接为一体；形状记忆合金丝SMA埋置在混凝土内，布置在界面连接栓钉HS周围，起传感作用，并提供反向恢复力，用于测量钢-混凝土界面滑移和界面连接栓钉HS变形；测量控制系统MC通过导线W与形状记忆合金丝SMA的两端相连接，测量控制系统MC记录钢-混凝土组合梁内形状记忆合金丝SMA的电阻及长度变化，得到钢-混凝土组合梁内界面相对滑移及栓钉变形损伤信息；当组合梁界面损伤程度超过阈值时，通过测量控制系统MC加热形状记忆合金丝SMA，使形状记忆合金丝SMA发生恢复变形，沿钢-混凝土组合梁内相对滑移和变形反方向施加恢复力和约束力，对钢-混凝土组合梁进行加固。形状记忆合金丝SMA的布置方式有四种，形成多种界面监测与加固方式：(1)形状记忆合金丝SMA的一端固定在界面连接栓钉HS上，另一端斜拉后固定在型钢梁SB上；(2)形状记忆合金丝SMA的两端分别固定在两个相邻的界面连接栓钉HS上，形状记忆合金丝SMA与型钢梁SB上表面平行布置；(3)形状记忆合金丝SMA的两端与同一界面连接栓钉HS相连，沿界面连接栓钉HS布置，二者固定为一体；(4)形状记忆合金丝SMA缠绕在界面连接栓钉HS表面。所述的形状记忆合金丝SMA，为Ti-Ni基复合记忆合金，也可选用符合要求的其他形状记忆合金。所述的钢筋混凝板RCS的底部靠近界面连接栓钉HS设有灌浆口GH，用于向钢-混凝土组合梁界面灌注浆料，强化损伤界面。所述的界面连接栓钉HS和形状记忆合金丝SMA替换为形状记忆合金栓钉SMHS，形状记忆合金栓钉SMHS直接通过导线W与测量控制系统MC连接，使栓钉损伤监测与加固更加便捷；形状记忆合金栓钉SMHS是将形状记忆合金融入到钢栓钉中，使栓钉具有形状记忆功能。型钢梁SB可以为各种截面形式的钢梁，如T型梁，工字梁、U型梁等，也可以为复合型钢梁，如FRP/钢复合型钢梁；钢筋混凝板RCS也可以为素混凝土、纤维混凝土或沥青等。形状记忆合金丝SMA，具有较低的马氏体开始温度Ms和较高的奥氏体开始温度As，以保证合形状记忆合金丝SMA在常温服役状态下外形不随温度变化；形状记忆合金丝SMA具有自感知性能，其电阻随长度变化敏感，并能够将电阻变化有效传输至测量控制系统MC。形状记忆合金丝SMA应包裹在保护层内，形成形状记忆合金导线，防止形状记忆合金丝SMA与混凝土直接接触。形状记忆合金丝SMA还应具有大恢复应变、大输出应力、电阻变化明显、可精确控制、耐久性好、信号屏蔽等综合特性。形状记忆合金丝SMA直径、长度等可以根据实际情况具体确定。形状记忆合金丝SMA布置的倾斜方向应根据组合梁受力情况确定，总体原则是形状记忆合金丝SMA产生的恢复力或约束力能够阻碍组合梁界面滑移和栓钉变形。考虑到组合梁在梁端界面滑移量较大且变形具有对称性，故形状记忆合金丝SMA应重点布置在梁端，且两端形状记忆合金丝SMA倾斜方向相反。为保证测量准确并提供足够的反向恢复力和约束力，形状记忆合金丝SMA可以采用采用单根、多根或螺旋缠绕等，具体倾斜角度、数量、直径、缠绕圈数、长度及间距等按实际需求。形状记忆合金丝SMA与界面连接栓钉HS及型钢梁SB连接处，用胶水、环氧树脂或其他胶粘剂单独固定、保护。形状记忆合金丝SMA与界面连接栓钉HS的连接可以采用螺旋缠绕的方式，也可以焊接或用粘接剂连接，形状记忆合金丝SMA与型钢梁SB的连接宜采用焊接或粘接剂连接，应保证合金丝拉直且无初始应力和焊接残余应力，形状记忆合金丝SMA与导线W宜采用焊接。形状记忆合金丝SMA与界面连接栓钉HS、型钢梁SB及导线W的焊接宜采用锡焊，或其它可靠的连接方式，以减少连接点处的能量损耗，所有连接点处都应用胶水或环氧树脂等本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于形状记忆合金的钢‑混凝土界面损伤监测及加固方法，其特征在于，具体步骤如下：钢‑混凝土组合梁主要由下部的型钢梁(SB)、上部的钢筋混凝板(RCS)和界面连接栓钉(HS)组成，界面连接栓钉(HS)用于将上部的钢筋混凝板(RCS)和下部的型钢梁(SB)连接为一体；形状记忆合金丝(SMA)埋置在混凝土内，布置在界面连接栓钉(HS)周围，起传感作用，并提供反向恢复力，用于测量钢‑混凝土界面滑移和界面连接栓钉(HS)变形；测量控制系统(MC)通过导线(W)与形状记忆合金丝(SMA)的两端相连接，测量控制系统(MC)记录钢‑混凝土组合梁内形状记忆合金丝(SMA)的电阻及长度变化，得到钢‑混凝土组合梁内界面相对滑移及栓钉变形损伤信息；当组合梁界面损伤程度超过阈值时，通过测量控制系统(MC)加热形状记忆合金丝(SMA)，使形状记忆合金丝(SMA)发生恢复变形，沿钢‑混凝土组合梁内相对滑移和变形反方向施加恢复力和约束力，对钢‑混凝土组合梁进行加固。

【技术特征摘要】
1.一种基于形状记忆合金的钢-混凝土界面损伤监测及加固方法，其特征在于，具体步骤如下：钢-混凝土组合梁主要由下部的型钢梁(SB)、上部的钢筋混凝板(RCS)和界面连接栓钉(HS)组成，界面连接栓钉(HS)用于将上部的钢筋混凝板(RCS)和下部的型钢梁(SB)连接为一体；形状记忆合金丝(SMA)埋置在混凝土内，布置在界面连接栓钉(HS)周围，起传感作用，并提供反向恢复力，用于测量钢-混凝土界面滑移和界面连接栓钉(HS)变形；测量控制系统(MC)通过导线(W)与形状记忆合金丝(SMA)的两端相连接，测量控制系统(MC)记录钢-混凝土组合梁内形状记忆合金丝(SMA)的电阻及长度变化，得到钢-混凝土组合梁内界面相对滑移及栓钉变形损伤信息；当组合梁界面损伤程度超过阈值时，通过测量控制系统(MC)加热形状记忆合金丝(SMA)，使形状记忆合金丝(SMA)发生恢复变形，沿钢-混凝土组合梁内相对滑移和变形反方向施加恢复力和约束力，对钢-混凝土组合梁进行加固。2.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金的钢-混凝土界面损伤监测及加固方法，其特征在于，所述的形状记忆合金丝(SMA)的布置方式有四种，形成多种界面监测与加固方式：(1)形状记忆合金丝(SMA)的一端固定在界面连接栓钉(HS)上，另一端斜拉后固定在型钢梁(SB)上；(2)形状记忆合金丝(SMA)的两端分别固定在两个相邻的界面连接栓钉(HS)上，形状记忆合金丝(SMA)与型钢梁(SB)上表面平行布置；(3)形状记忆合金丝(SMA)的两端与同一界面连接栓钉(HS)相连，沿界面连接栓钉(HS)布置，二者固定为一体；(4)形状记忆合金丝(SMA)缠绕在界面连接栓钉(HS)表面。3.根据权利要求1或2所述的一种基于形状记忆合金的钢-混凝土界面损伤监测及加固方法，其特征在于，所述的形状记忆合金丝(SMA)，为Ti-Ni...

【专利技术属性】
技术研发人员：李冬生，都方竹，张月，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21