利用碳纳米管碳纤维板加固并监测钢构件疲劳性能的装置的制作方法

本实用新型涉及土木工程的维修加固与健康监测领域，具体涉及一种利用碳纳米管碳纤维板加固并监测钢构件疲劳性能的装置。

背景技术：

钢结构被广泛应用于航空航天、机械、车辆以及基础建设领域。在服役荷载和环境介质的作用下，疲劳裂纹易于在应力集中处萌生扩展，从而缩短了钢构件的使用寿命。碳纤维增强复合材料构件由于其优越的物理和力学性能，可用于钢结构的加固，分担构件远端荷载，抑制裂纹张开，从而达到延缓疲劳裂纹扩展，提高钢结构疲劳性能的目的。但加固后，损伤位置被加固材料覆盖，较难进行后续结构性能评估。目前的监测手段是利用应变片、加速度传感器，压阻传感器以及光纤传感器等，测试结构实时的应变和振动频率等参数，判断结构服役情况，或采用x光等设备，对含损伤位置进行探测。此类方法对设备要求较高，且较难对局部裂纹情况做全面评估，因此有必要提出一种新的监测手段来探测此类加固体系中构件疲劳裂纹扩展情况。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了解决上述问题而提供一种利用碳纳米管碳纤维板加固并监测钢构件疲劳性能的装置，通过利用碳纳米管碳纤维板提升损伤钢构件疲劳性能，并监测加固后疲劳裂缝的扩展情况。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

一种利用碳纳米管碳纤维板加固并监测钢构件疲劳性能的装置，包括钢构件、具有导电性的碳纳米管碳纤维板和绝缘垫片，所述碳纳米管碳纤维板布置在所述钢构件的表面两侧，所述绝缘垫片设于所述碳纳米管碳纤维板与钢构件之间；所述碳纳米管碳纤维板表面连接电极，所述电极通过导线与外部的检测仪表相连接，并通过所述碳纳米管碳纤维板上的电阻变化，监测所述钢内部疲劳裂纹扩展状况。

钢构件内部的疲劳裂纹如继续扩展，会造成加固材料上应变的变化，而碳纳米管碳纤维板具有优异的导电性能，碳纳米管碳纤维板的电阻率会随外部应变大致呈线性变化，通过利用碳纳米管碳纤维板的这一特性来对经碳纳米管碳纤维板加固的钢结构进行疲劳裂纹监测。

进一步地，所述的碳纳米管碳纤维板通过粘结或机械锚固的方式布置在所述钢构件表面。

进一步地，所述的碳纳米管碳纤维板为内部均匀分散有碳纳米管的树脂板材，板材具有导电性，经加工工艺制作而成。

进一步地，所述绝缘垫片为环氧树脂板，具有良好的绝缘性能。

进一步地，所述电极为铜板。

进一步地，所述电极通过铜粉导电胶水粘结在所述碳纳米管碳纤维板表面两端。

进一步地，所述铜粉导电胶水的体积电阻率为10^-3～10^-4ω·m，型号为db2012，由武汉双键化工有限公司生产。

进一步地，所述检测仪表为能够显示阻值的万用表，利用导线将万用表接入碳纳米管碳纤维板两端的电极，取两块碳纳米管碳纤维板输出电阻的平均值，观测输出电阻的实时变化。

如加固后的钢构件内部疲劳裂纹不继续扩展，疲劳荷载相对较小，整个加固体系均处于弹性阶段，碳纳米管碳纤维板上的应变不改变，输出的电阻保持不变；如果裂纹继续扩展，碳纳米管碳纤维板应变增加，输出电阻改变。根据碳纳米管碳纤维板的静力试验，对输出电阻和应变关系先进行标定；再根据钢构件疲劳裂纹与应变的数值关系，间接确定钢构件疲劳裂纹的长度。

进一步地，所述钢构件为q345钢，屈服强度达345mpa，所述碳纳米管碳纤维板设于钢构件裂纹处的上下表面。

进一步地，所述碳纳米管碳纤维板用砂纸打磨处理后，露出内部的碳纳米管后，再与电极相连接。

本实用新型装置能够有效地加固含钢构件疲劳性能，并监测加固后疲劳裂缝的扩展情况。碳纳米管碳纤维板轻质高强，能有效分担远端荷载，并约束裂纹扩展，改善损伤钢构件疲劳性能；并能够利用输出电阻的变化值确定碳纳米管碳纤维板的应变，再根据钢构件疲劳裂纹与应变的数值关系，间接确定钢构件疲劳裂纹的长度。

与现有技术相比，该装置用到的传感器数量少，需要处理的数据简单，便于操作和实际应用，且碳纳米管碳纤维材料对应变的敏感程度远优于普通电阻应变片。此装置能够有效地加固含钢构件疲劳性能，并监测加固后疲劳裂缝的扩展情况。

附图说明

图1为实施例中本实用新型装置的主视结构示意图；

图2为实施例中本实用新型装置的侧视结构示意图；

图3为实施例中本实用新型装置的俯视结构示意图；

图中，1-钢构件、2-碳纳米管碳纤维板、3-绝缘垫片、4-铜粉导电胶水、5-电极、6-导线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例

一种利用碳纳米管碳纤维板加固并监测钢构件疲劳性能的装置，其结构示意图如图1-3所示，包括含损伤钢构件1，碳纳米管碳纤维板2，绝缘垫片3，铜粉导电胶水4，电极5以及导线6。

含损伤钢构件1具体为钢板，为q345钢，屈服强度可达345mpa。含损伤钢构件1中心有5mm的孔洞，孔洞两旁各有长度为1mm的人工预制裂纹。利用结构粘胶或者机械锚固的方式，将碳纳米管碳纤维板2布置在含损伤钢构件1的两侧。

碳纳米管碳纤维板2经特殊工艺进行制作，碳纳米管均匀分散在树脂基质中，板材具有导电性。

绝缘垫片3为环氧树脂板，设置在含损伤钢构件1与碳纳米管碳纤维板2之间。

铜粉导电胶水4的型号为db2012，由武汉双键化工有限公司生产，体积电阻率为10^-3～10^-4ω·m。

用砂纸对所述碳纳米管碳纤维板进行打磨处理，除去表面环氧树脂层，使内部碳纤维暴露出来；然后利用铜粉导电胶水4将碳纳米管碳纤维板粘贴在试件的端部作为电极。利用导线将万用表接入碳纳米管碳纤维板两端的铜板电极，取两块碳纳米管碳纤维板输出电阻的平均值，观测输出电阻的实时变化。

如裂纹不继续扩展，疲劳荷载相对较小，整个加固体系均处于弹性阶段，碳纳米管碳纤维板上的应变不改变，输出的电阻保持不变；如果裂纹继续扩展，碳纳米管碳纤维板应变增加，输出电阻改变。根据碳纳米管碳纤维板的静力试验，对输出电阻和应变关系先进行标定；再根据钢板疲劳裂纹长度与应变的数值关系，间接确定钢板的疲劳裂纹长度。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

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