一种可实现智能服役的FRP预应力监测和调节装置及方法

摘要

本发明公开了一种可实现智能服役的FRP预应力监测和调节装置及方法，属于建筑工程技术领域，装置包括支承载体、FRP、预应力调节装置、预应力监测装置，所述FRP的两端固定连接至所述支承载体，所述预应力调节装置设置在FRP的中部用于调节FRP的预应力，所述预应力监测装置与预应力调节装置配合用于对预应力进行测量，所述预应力调节装置包括预应力调节垫板、两组调节螺杆和调节螺母，预应力调节垫板位于FRP和支承载体之间，本发明装置及方法可以准确有效地对FRP施加预应力且对FRP中的预应力进行监测，并在监测到FRP预应力有损失，或者服役荷载要求提高时，可以简单快速的对FRP进行预应力调节，使其预应力恢复到原来的状态或达到新的预应力目标值。

权利要求

1.一种可实现智能服役的FRP预应力监测和调节装置，其特征在于：包括支承载体、FRP、预应力调节装置、预应力监测装置，所述FRP的两端固定连接至所述支承载体，所述预应力调节装置设置在FRP的中部用于调节FRP的预应力，所述预应力监测装置与预应力调节装置配合用于对预应力进行测量；所述预应力调节装置包括预应力调节垫板、两组调节螺杆和调节螺母，预应力调节垫板位于FRP和支承载体之间，所述预应力调节垫板的两端分别开设有与所述调节螺杆对应的通孔，所述调节螺杆的上端固定连接至支承载体，下端穿出所述通孔，所述调节螺母与调节螺杆螺纹连接用于将所述预应力调节垫板压紧于所述FRP；

两组调节螺母之间设置有同步传动装置，所述同步传动装置用于带动所述两组调节螺母进行同步转动；所述同步传动装置包括中心齿轮和传动齿轮，每一调节螺母的下侧均同轴固定连接有一传动齿轮，所述传动齿轮的中心开设有过孔，所述中心齿轮与所述预应力调节垫板转动连接，所述中心齿轮位于两传动齿轮之间且同时与两个所述传动齿轮啮合；所述中心齿轮的上表面开设有第一环槽，所述第一环槽内滚动配合有若干第一滚珠，所述调节螺母的外沿朝中心齿轮的中心延伸使得调节螺母的部分投影与中心齿轮相交，落在所述投影内的第一滚珠同时与所述调节螺母滚动配合；所述第一环槽的外侧还设置有弧形封盖，所述弧形封盖位于第一环槽投影以外的区域；所述弧形封盖的两侧向外延伸有外缘板，所述外缘板上开设有第一连接孔，所述中心齿轮上开设有与所述第一连接孔对应的第二连接孔，所述第二连接孔沿第一环槽圆周均布在第一环槽的内外两侧；所述中心齿轮的下表面开设有第二环槽，所述第二环槽内滚动配合有若干第二滚珠，所述第二滚珠同时与所述预应力调节垫板滚动配合；所述中心齿轮通过一转轴与所述预应力调节垫板转动连接，所述转轴的上端转动套设有一压块，所述转轴的上端同时螺纹连接有一压紧螺母，所述调节螺母的上侧开设有与所述压块对应的卡槽。

2.根据权利要求1所述的可实现智能服役的FRP预应力监测和调节装置，其特征在于：

所述预应力监测装置包括压电传感材料、采集箱和计算机，所述压电传感材料位于所述FRP的下侧且连接至所述调节螺杆，所述压电传感材料通过采集箱连接至计算机。

3.一种可实现智能服役的FRP预应力监测和调节的方法，其特征在于：采用如权利要求

1和2任一项所述的装置，第一步，安装预应力调节装置；第二步，将FRP的两端锚固在支承载体上；第三步，通过控制调节螺杆的高度来对FRP施加预应力；第四步，将预应力监测装置和采集箱及计算机连接，进行预应力监测。

说明书

一种可实现智能服役的FRP预应力监测和调节装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于建筑工程技术领域，具体涉及一种可实现智能服役的FRP预应力监测和调节装置及方法。

背景技术

[0002] 纤维增强复合材料(FRP)因具有强度高、耐腐蚀性强、施工便利性好等优点，在既有建筑结构的加固领域得到了广泛的应用。然而，采用传统的粘贴FRP进行加固的手段虽然可以一定程度上有效提高被加固构件的受力性能和耐久性，但是其对于FRP材料强度的利用率很低。相比而言，预应力FRP加固技术能充分的利用FRP轻质高强的优点，但是在预应力FRP加固技术中也面临着由于锚具变形滑移、FRP与被加固构件的摩擦等原因导致的预应力损失，预应力损失会对FRP的加固效果有极大的影响，对工程结构造成重大影响。因此在实际工程中首先面临的问题是如何对FRP中的预应力进行监测，实时判断其预应力损失的程度来对其采取补救措施。同时，由于例如日益增长的交通量以及汽车荷载不断提高的影响，导致已经进行FRP预应力加固后的钢结构其承受的服役荷载增大，从而需要进一步加固，对FRP重新进行张拉需要重新安装千斤顶、锚具等装置，过程复杂且需要耗费较多人力物力，所以亟需一种可以随时对FRP预应力进行调节的智能服役装置。目前对于FRP预应力检测的方法主要是通过在FRP上布置应变测量元件的方式进行监测，这种方法在实验室中应用较多，在实际工程中有少量应用，但是该方法需要大量的应变测量元件价格昂贵，并且容易受到损伤导致测量结果不准确。对于FRP预应力调节的方法，如CN110029592A一种体外预应力FRP筋张拉锚固装置，一端将FRP筋固定，一端通过一对槽钢桁架和一根螺杆对FRP筋进行预应力调节，可较好的适用于FRP筋的预应力调节，但是该装置不适用于对FRP板材和片材预应力的调节，并且目前还未发现有关直接对FRP板材和片材进行预应力调节的方法。

发明内容

[0003] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可实现智能服役的FRP预应力监测和调节装置及方法，属于建筑工程技术领域，装置包括支承载体、FRP、预应力调节装置、预应力监测装置，所述FRP的两端固定连接至所述支承载体，所述预应力调节装置设置在FRP的中部用于调节FRP的预应力，所述预应力监测装置与预应力调节装置配合用于对预应力进行测量，所述预应力调节装置包括预应力调节垫板、两组调节螺杆和调节螺母，预应力调节垫板位于FRP和支承载体之间，本发明装置及方法可以准确有效地对FRP施加预应力且对FRP中的预应力进行监测，并在监测到FRP预应力有损失，或者服役荷载要求提高时，可以简单快速的对FRP进行预应力调节，使其预应力恢复到原来的状态或达到新的预应力目标值。

[0004] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0005] 本发明一种可实现智能服役的FRP预应力监测和调节装置，包括支承载体、FRP、预应力调节装置、预应力监测装置，所述FRP的两端固定连接至所述支承载体，所述预应力调节装置设置在FRP的中部用于调节FRP的预应力，所述预应力监测装置与预应力调节装置配合用于对预应力进行测量，所述预应力调节装置包括预应力调节垫板、两组调节螺杆和调节螺母，预应力调节垫板位于FRP和支承载体之间，所述预应力调节垫板的两端分别开设有与所述调节螺杆对应的通孔，所述调节螺杆的上端固定连接至支承载体，下端穿出所述通孔，所述调节螺母与调节螺杆螺纹连接用于将所述预应力调节垫板压紧于所述FRP。

[0006] 进一步，两组调节螺母之间设置有同步传动装置，所述同步传动装置用于带动所述两组调节螺母进行同步转动。

[0007] 进一步，所述同步传动装置包括中心齿轮和传动齿轮，每一调节螺母的下侧均同轴固定连接有一传动齿轮，所述传动齿轮的中心开设有过孔，所述中心齿轮与所述预应力调节垫板转动连接，所述中心齿轮位于两传动齿轮之间且同时与两个所述传动齿轮啮合。

[0008] 进一步，所述中心齿轮的上表面开设有第一环槽，所述第一环槽内滚动配合有若干第一滚珠，所述调节螺母的外沿朝中心齿轮的中心延伸使得调节螺母的部分投影与中心齿轮相交，落在所述投影内的第一滚珠同时与所述调节螺母滚动配合。

[0009] 进一步，所述第一环槽的外侧还设置有弧形封盖，所述弧形封盖位于第一环槽投影以外的区域。

[0010] 进一步，所述弧形封盖的两侧向外延伸有外缘板，所述外缘板上开设有第一连接孔，所述中心齿轮上开设有与所述第一连接孔对应的第二连接孔，所述第二连接孔沿第一环槽圆周均布在第一环槽的内外两侧。

[0011] 进一步，所述中心齿轮的下表面开设有第二环槽，所述第二环槽内滚动配合有若干第二滚珠，所述第二滚珠同时与所述预应力调节垫板滚动配合。

[0012] 进一步，所述中心齿轮通过一转轴与所述预应力调节垫板转动连接，所述转轴的上端转动套设有一压块，所述转轴的上端同时螺纹连接有一压紧螺母，所述调节螺母的上侧开设有与所述压块对应的卡槽。

[0013] 进一步，所述预应力监测装置包括压电传感材料、采集箱和计算机，压电传感材料可做成圆环状，直接套设在调节螺杆的外侧并与其连接，压电传感材料可以采用压电陶瓷等材料，在力的作用下发生形变时，会引起表面带电，能比较准确地对预应力进行测量。所述压电传感材料位于所述FRP的下侧且连接至所述调节螺杆，所述压电传感材料通过采集箱连接至计算机。

[0014] 一种可实现智能服役的FRP预应力监测和调节装置及方法，采用如上述任一项所述的装置，第一步，安装预应力调节装置；第二步，将FRP的两端锚固在支承载体上；第三步，通过控制调节螺杆的高度来对FRP施加预应力；第四步，将预应力监测装置和采集箱及计算机连接，进行预应力监测。

[0015] 本发明的有益效果在于：

[0016] 本发明提供的监测和调节FRP预应力大小的加固装置，有效地把对FRP预应力的监测和调节系统结合在一起，可以实现实时FRP预应力监测，在发现预应力损失后，可以简单快捷的进行预应力调节使其恢复到原来的预应力水平，并且如果服役荷载要求提高时，也可以继续对FRP施加预应力以达到预定值，具有很强的智能性和整体性，可以实现智能服役的功能；施工人员只需要对预应力调节螺杆的高度进行测量和调节即可实现目标，无需通过复杂的操作，在实际工程中有很强的便利性和可操作性；通过监测系统获得预应力值之后，工程人员可以通过调节螺杆高度直接对FRP的预应力进行调节，相对比直接粘贴FRP预应力加固进行预应力调节造成的黏结界面损失而言，本发明的装置不会降低其加固效果。

[0017] 本发明的其他优点、目标和特征将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上对本领域技术人员而言是显而易见的，或者本领域技术人员可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

[0018] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

[0019] 图1为本发明装置的结构示意图；

[0020] 图2为本发明预应力调节装置的结构示意图；

[0021] 图3为本发明预应力调节装置的俯视图；

[0022] 图4为图2在A处的放大图；

[0023] 图5为本发明预应力调节装置的剖视图；

[0024] 图6为端部锚固装置的结构示意图。

[0025] 附图中标记如下：支承载体1、FRP2、预应力调节装置3、预应力调节垫板31、两组调节螺杆32、调节螺母33、预应力监测装置4、端部锚固装置5、中心齿轮6、传动齿轮7、第一环槽8、第一滚珠9、弧形封盖10、外缘板11、第一连接孔12、第二连接孔13、第二环槽14、第二滚珠15、转轴16、压块17、压紧螺母18、卡槽19、采集箱20、计算机21。

具体实施方式

[0026] 如图1所示，本发明一种可监测和调节FRP2预应力大小的装置，包括支承载体1、FRP2、预应力调节装置3、预应力监测装置4，支承载体1采用钢构件，所述FRP2的两端固定连接至所述支承载体1，通过端部锚固装置5固定，端部锚固装置5采用钢板，两侧开设有两排螺纹孔，支承载体1上也对应开设有螺纹孔，通过螺栓将FRP压紧与钢板的中部。所述预应力调节装置3设置在FRP2的中部用于调节FRP2的预应力，所述预应力监测装置4与预应力调节装置3配合用于对预应力进行测量；如图2和3所示，所述预应力调节装置3包括预应力调节垫板31、两组调节螺杆32和调节螺母33，预应力调节垫板31位于FRP2和支承载体1之间，所述预应力调节垫板31的两端分别开设有与所述调节螺杆对应的通孔，所述调节螺杆的上端固定连接至支承载体1，下端穿出所述通孔，所述调节螺母33与调节螺杆螺纹连接用于将所述预应力调节垫板31压紧于所述FRP2。

[0027] 本实施例中，两组调节螺母33之间设置有同步传动装置，所述同步传动装置用于带动所述两组调节螺母33进行同步转动，可以让两组调节螺母33同时对预应力调节垫板31进行压紧，让其两侧可以均匀向下位移以对FRP2施加沿着中心的预应力，保证力矩平衡，防止FRP2偏转。

[0028] 本实施例中，如图3和4所示，所述同步传动装置包括中心齿轮6和传动齿轮7，每一调节螺母33的下侧均同轴固定连接有一传动齿轮7，所述传动齿轮7的中心开设有过孔，所述中心齿轮6与所述预应力调节垫板31转动连接，所述中心齿轮6位于两传动齿轮7之间且同时与两个所述传动齿轮7啮合。通过中心齿轮6的传递使得两个传动齿轮7可以同步转动，装置结构简单，传递稳定。

[0029] 本实施例中，所述中心齿轮6的上表面开设有第一环槽8，所述第一环槽8内滚动配合有若干第一滚珠9，所述调节螺母33的外沿朝中心齿轮6的中心延伸使得调节螺母33的部分投影与中心齿轮6相交，落在所述投影内的第一滚珠9同时与所述调节螺母33滚动配合，防止中心齿轮6表面和调节螺母33之间的接触产生的影响，通过滚珠的接触方式，保证施力过程的稳定性。

[0030] 本实施例中，所述第一环槽8的外侧还设置有弧形封盖10，所述弧形封盖10位于第一环槽8位于投影以外的区域，可以防止第一滚珠9从第一环槽8内掉落。

[0031] 本实施例中，所述弧形封盖10的两侧向外延伸有外缘板11，所述外缘板11上开设有第一连接孔12，所述中心齿轮6上开设有与所述第一连接孔12对应的第二连接孔13，所述第二连接孔13沿第一环槽8圆周均布在第一环槽8的内外两侧，实现弧形封盖10与中心齿轮6之间的可拆卸连接，可以便于中心齿轮6的安装，避免弧形封盖10与调节螺母33之间的干涉。

[0032] 本实施例中，如图5所示，所述中心齿轮6的下表面开设有第二环槽14，所述第二环槽14内滚动配合有若干第二滚珠15，所述第二滚珠15同时与所述预应力调节垫板31滚动配合，通过滚珠的接触方式，使得作用力沿着竖向，可以将力尽可能传递到FRP2的中心，保证施力过程的稳定性。

[0033] 本实施例中，所述中心齿轮6通过一转轴16与所述预应力调节垫板31转动连接，转轴16固定连接在预应力调节垫板31的中部，所述转轴16的上端转动套设有一压块17，所述转轴16的上端同时螺纹连接有一压紧螺母18，所述调节螺母33的上侧开设有与所述压块17对应的卡槽19，在调节螺母33的位置确定后，通过该压块17可以将调节螺母33的位置进行锁紧，增加监测过程时候的稳定性。

[0034] 本实施例中，所述预应力监测装置4包括压电传感材料、采集箱20和计算机21，所述压电传感材料位于所述FRP2的下侧且连接至所述调节螺杆，压电传感材料可以采用压电陶瓷等材料，在机械力的作用下发生形变时，会引起表面带电，能较好地对预应力进行测量，所述压电传感材料通过采集箱20连接至计算机21。

[0035] 一种可监测和调节FRP2预应力大小的方法：第一步，安装预应力调节装置3；第二步，将FRP2的两端锚固在支承载体1上；第三步，通过控制调节螺杆32的高度来对FRP2施加预应力；第四步，将预应力监测装置4和采集箱20及计算机21连接，进行预应力监测。

[0036] 由于FRP2两端被锚固，通过调节螺杆32的高度使得带动FRP2进行上下移动，从而对FRP2施加预拉应力。随着高度的增加，FRP2会产生变形，通过计算式(1)计算得到：

[0037]

[0038] 式中，ε为FRP的应变；ΔL为FRP的长度变化；L为FRP进行预应力调节前的长度。ΔL由计算式(2)计算得到：

[0039] ΔL＝L1‑L  (2)

[0040] 式中，L1为FRP预应力调节之后的长度，由计算式(3)计算得到：

[0041]

[0042] 式中，a为预应力调节的高度，可以由人工通过量尺测得；b为FRP一端到预应力调节螺杆32的距离，为固定值。然后通过计算式(4)得到FRP预应力P：

[0043] P＝bfEftfε  (4)

[0044] 式中，P为FRP预应力，bf为FRP的宽度、tf为FRP2的厚度、Ef为FRP2的弹性模量。将这些计算式代入到计算机21中，即可通过代入测得的预应力调节螺杆32高度a，得到FRP2上的现有预应力，也可通过输入想要实现的预应力反算得到对应的预应力调节螺栓高度a，调节到该高度a即可实现所需的预应力。通过压电陶瓷测得预应力调节螺杆32处的力F，代入计算式(5)得到FRP2上的预应力P：

[0045]

[0046] 即可通过传感器、采集箱20和计算机21实时得到预应力P的值，即实现了FRP2预应力的监测，当发现预应力P降低超过一定限值或有更高的服役荷载要求需要提高预应力P时通过计算机21反算得到的调节高度a来调节预应力调节螺杆32，使得FRP2回到之前的预应力或达到新的预应力目标值。

[0047] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。