一种利用自传感FRP筋加固的混凝土柱技术领域
本实用新型属于工程结构加固/监测、传感技术领域，具体涉及的是一种利用自传
感纤维复合（Fiber Reinforced Polymer，FRP）筋加固的混凝土柱。
背景技术
钢筋混凝土（RC）柱是桥梁等设施的关键部件，其震后损伤状况直接关系到公路、
轻轨等城市基础设施的震后快速恢复。但是，按照目前的设计方法，地震荷载作用下易在柱
脚形成塑性铰区，使结构发生较大的震后损伤，形成显著的残余变形，严重影响桥梁的震后
可恢复性。例如，在1995年的Kobe地震中，没有倒塌但是因残余变形过大丧失使用功能而必
须拆除的柱有100个左右。因此，如何控制结构的震后残余变形，并对残余变形和损伤进行
快速评估，是提高基础设施可恢复性的关键。
目前混凝土柱的抗震加固方法很多，其中大多数集中在对混凝土柱增加约束，如
在柱四周包裹套管（钢套管、纤维套管等），提高混凝土的抗压强度和延性、有效防止纵向钢
筋压曲。然而，这类加固方法使得结构在遭受中等级地震荷载时就产生较大的永久变形和
损伤，不利于修复。同时，对于一些重要结构，甚至要求“大震可修”，对结构抗震性能提出了
新的要求。为此，日本家村浩和等学者提出了结构“二次刚度”的概念，就是在钢筋屈服后结
构仍保持稳定的“二次刚度”以控制震后残余变形。如何实现稳定的“二次刚度”成为关键。
FRP材料主要有碳纤维（CFRP）、玻璃纤维（GFRP）、芳纶纤维（AFRP）、玄武岩纤维
（BFRP）等不同类型的纤维复合材料，它们是典型的线弹性材料，且极限应变不小于1.5%，是
普通钢筋的屈服应变的7倍左右。因此，FRP材料在钢筋屈服后可为结构提供稳定的“二次刚
度”。同时，光纤传感器和FRP材料容易复合形成自传感FRP材料，既保持高强的力学性能，还
提供了变形监测的手段。
本实用新型在结合现有大量研究的基础上，采用自传感FRP筋嵌入式加固混凝土
柱，利用自传感FRP筋的高强力学性能形成稳定的结构“二次刚度”，利用自传感FRP筋的自
传感性能实现残余变形自监测，以满足实际工程结构的大量抗震加固需求。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种利用自传感FRP
筋加固的混凝土柱。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现：
一种利用自传感FRP筋加固的混凝土柱，包括自传感FRP筋和柱身，所述自传感FRP
筋内部设有传感光纤和与所述传感光纤相连接的光纤传感器，所述传感光纤的一端且在所
述自传感FRP筋内部设有光纤引线的端部转向保护，所述自传感FRP筋安装套管，所述传感
光纤与光纤引线串联，所述柱身的内部固定有所述自传感FRP筋，所述柱身的外侧饶有所述
自传感FRP筋，所述柱身上设有混凝土保护层和基础，且所述混凝土保护层和所述基础开有
槽，所述柱身外围包裹有约束材料，所述柱身上还设有纵筋和箍筋，所述槽内用粘结剂填
充，所述光纤引线还与光纤解调仪连接，所述自传感FRP筋的表面为碳纤维缠绕而成的螺纹
结构，且与所述套管螺纹连接。
进一步的，所述光纤传感器采用商业单模裸光纤，传感技术采用布里渊分布式光
纤传感技术（Brillioun Optical Time Domain Analysis, BOTDA），其空间分辨率不低于
0.1m；所述自传感FRP筋的长度（该长度不包含端部转向保护的长度）不小于所述自传感FRP
筋的80倍直径与2倍的所述柱身边长或直径的总和，其中，在所述基础内的埋置长度一般不
小于所述自传感FRP筋的40倍直径，在所述柱身的布设长度一般不小于2倍的所述柱身边长
或直径与所述自传感FRP筋的40倍直径的总和。
进一步的，所述粘结剂采用环氧树脂、环氧砂浆或其它高性能砂浆。
优选的，所述套管采用铝管，其外径为1.5倍的所述自传感 FRP筋的直径，内径为
1.2-1.3倍自传感 FRP筋的直径，长度为1倍的所述柱身的边长或直径，在所述基础内的长
度一般为0.2倍的所述柱身的边长或直径。
进一步的，所述约束材料采用钢板、钢丝网或纤维布，优选的为纤维布。
优选的，所述传感FRP筋的应变分析混凝土柱的变形和损伤，所述变形采用两部分
分析方法，一部分是利用应变评估柱角区的裂缝宽度，并进一步计算裂缝导致混凝土柱的
几何变形，另一部分是利用所述柱身应变直接计算混凝土柱的弯曲变形，采用虚功法，两部
分变形之和就是结构的实际变形；所述损伤可以采用监测的残余应变或计算的变形作为指
标进行评估，其中，残余应变导入混凝土柱的低周反复模型中可直接判定损伤。
本实用新型的有益效果是:
1、利用自传感FRP筋的高强力学性能对混凝土柱进行抗弯加固，实现了大量现有
结构在钢筋屈服后塑性变形的有效控制，也即实现了现有结构的稳定“二次刚度”，对中震
或强震下结构的可恢复性实现了量化控制，是对我国现有抗震规范的有益发展。
2、利用自传感FRP筋的自传感特性，形成加固结构的健康监测系统，实现对加固结
构的正常工作状态和地震荷载下的结构性态的监测，为准确评估结构的损伤和结构修复提
供了量化的依据。
3、加固和监测一体化，大大方便了施工、节约了成本，为大量基础设施的安全运营
和管养提供了技术支持，具有重要的社会和经济效益。
附图说明
图1为本实用新型的自传感FRP筋结构示意图；
图2（a）为本实用新型的待加固混凝土柱结构示意图；
图2（b）为本实用新型的待加固混凝土柱的部分结构俯视图；
图3（a）为本实用新型的混凝土柱纵向开槽结构示意图；
图3（b）为本实用新型的待加固混凝土柱的结构部分俯视图；
图4（a）为本实用新型的自传感FRP筋嵌入混凝土柱结构示意图；
图4（b）为本实用新型的自传感FRP筋嵌入混凝土柱部分结构俯视图；
图5（a）为本实用新型的混凝土柱外包约束材料结构示意图；
图5（b）为本实用新型的混凝土柱外包约束材料部分结构俯视图；
图6（a）为本实用新型的自传感FRP筋串联成结构监测系统结构示意图；
图6（b）为本实用新型的自传感FRP筋串联成结构监测系统的部分结构俯视图。
图中标号说明：1、自传感FRP筋，2、传感光纤，3、端部转向保护，4、柱身，5、基础，6、
纵筋，7、箍筋，8、混凝土保护层，9、槽，10、粘结剂，11、套管，12、约束材料，13、光纤引线，14、
光纤解调仪。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。
如图1-6所示，一种利用自传感FRP筋加固的混凝土柱，包括自传感FRP筋1和柱身
4，所述自传感FRP筋1内部设有传感光纤2和与所述传感光纤2相连接的光纤传感器，所述传
感光纤2的一端且在所述自传感FRP筋1内部设有光纤引线13的端部转向保护3，所述自传感
FRP筋1安装套管11，所述传感光纤2与光纤引线13串联，所述柱身4的内部固定有所述自传
感FRP筋1，所述柱身4的外侧饶有所述自传感FRP筋1，所述柱身4上设有混凝土保护层8和基
础5，且所述混凝土保护层8和所述基础5开有槽9，所述柱身4外围包裹有约束材料12，所述
柱身4上还设有纵筋6和箍筋7，所述槽9内用粘结剂10填充，所述光纤引线13还与光纤解调
仪14连接，所述自传感FRP筋1的表面为碳纤维缠绕而成的螺纹结构，且与所述套管11螺纹
连接。
进一步的，所述光纤传感器采用商业单模裸光纤，传感技术采用布里渊分布式光
纤传感技术（Brillioun Optical Time Domain Analysis, BOTDA），其空间分辨率不低于
0.1m；所述自传感FRP筋1的长度（该长度不包含端部转向保护3的长度）不小于所述自传感
FRP筋1的80倍直径与2倍的所述柱身4边长或直径的总和，其中，在所述基础5内的埋置长度
一般不小于所述自传感FRP筋1的40倍直径，在所述柱身4的布设长度一般不小于2倍的所述
柱身4边长或直径与所述自传感FRP筋1的40倍直径的总和。
进一步的，所述粘结剂10采用环氧树脂、环氧砂浆或其它高性能砂浆。
优选的，所述套管11采用铝管，其外径为1.5倍的所述自传感 FRP筋1的直径，内径
为1.2-1.3倍自传感 FRP筋1的直径，长度为1倍的所述柱身4的边长或直径，在所述基础5内
的长度一般为0.2倍的所述柱身4的边长或直径。
进一步的，所述约束材料12采用钢板、钢丝网或纤维布，优选的为纤维布。
优选的，所述传感FRP筋1的应变分析混凝土柱的变形和损伤，所述变形采用两部
分分析方法，一部分是利用应变评估柱角区的裂缝宽度，并进一步计算裂缝导致混凝土柱
的几何变形，另一部分是利用所述柱身4应变直接计算混凝土柱的弯曲变形，采用虚功法，
两部分变形之和就是结构的实际变形；所述损伤可以采用监测的残余应变或计算的变形作
为指标进行评估，其中，残余应变导入混凝土柱的低周反复模型中可直接判定损伤。
具体方法包括嵌入自传感FRP筋、包裹约束材料和连接光纤组成监测系统三个步
骤。
第一步，在现有混凝土柱体上开槽，嵌入智能FRP筋并用粘结剂填充。
图1中所示为本实用新型中的自传感FRP筋1，基于所采用的分布式光纤传感技术
BOTDA的技术特点，传感光纤2在自传感FRP筋1的内部形成回路，其中在埋入端的端部设置
回转光纤，并采用端部转向保护3实施保护。在本实用新型中，采用BOTDA技术而不采用
BOTDR技术的主要原因是，整个柱角加固区的长度一般在1m-2m范围内，而BOTDR技术的空间
分辨率仅为1m，无法完成有效的监测，但BOTDA技术的最高空间分辨率可达到0.02m，适合于
本实用新型中的小范围大应变测量。
为了加固图2所示的钢筋混凝土柱，首先需要在混凝土保护层8内开槽9，如图3所
示。槽9从柱身4延伸至基础5内一定长度，其中槽9在柱身4的长度一般不小于2倍的柱身边
长或直径与自传感FRP筋的40倍直径的总和，在基础5内的长度一般不小于自传感FRP筋的
40倍直径。钢筋混凝土柱的塑性铰区一般在柱角向上2倍柱身边长或直径的范围，而40倍直
径的长度一般可以保证自传感FRP筋的粘结锚固，如上述设置槽9的长度可实现对塑性铰区
的有效加固。槽9的位置应选择在两根纵筋6之间，尺寸一般为1.5~2倍自传感FRP筋1的直
径，以保证最后的破坏发生在原有混凝土层内。在柱身4内，槽9一般不直接延伸内箍筋7表
面，以防止将箍筋7破损。槽9的数量也即自传感FRP筋1的加固量应根据抗震计算、设计结果
来确定，自传感FRP筋1的总面积一般不超过纵筋6的总面积。
槽9切割成型后，需要用酒精对槽9进行清洗、晾干，以保证可靠的粘结界面。然后
将粘结剂10填充进槽9，如图4所示，粘结剂10一般采用环氧树脂、环氧砂浆或其它高性能砂
浆。将自传感FRP筋1嵌入槽9之前，先在自传感FRP筋1的指定位置安装套管11，套管11采用
铝管，其外径为1.5倍自传感FRP筋1的直径，内径为1.2-1.3倍自传感FRP筋1的直径，长度为
1倍的柱身边长或直径。然后，将自传感FRP筋1嵌入充满粘结剂10的槽9中，并将表面刮平。
安装后，套管11处于柱身4和基础5交界位置，其中，在基础5内的长度一般为0.2倍的柱身边
长或直径。这样处理后，在套管11内的自传感FRP筋1处于无粘结状态，可降低其因应力集中
而过早破坏的情况，提高了加固效果。
第二步，在混凝土柱柱身外围包裹约束材料，用以约束自传感FRP筋和混凝土。
如图5所示，在第一步处理后的钢筋混凝土柱的加固区表面包裹约束材料12，约束
材料12可采用钢板、钢丝网或纤维布，其中优选纤维布，采用不同的材料还应选择相应的粘
结材料。约束材料12的加固量应根据抗震计算、设计结果来确定。
第三步，串联自传感FRP筋的光纤接口，集成监测系统，并利用监测的自传感FRP筋
的应变分析混凝土柱的变形和损伤。
如图6所示，用光纤引线13将不同自传感FRP 筋1的传感光纤2连接起来，串联成一
条光路，并最终连接到光纤解析仪14上，形成加固结构的健康监测系统。通过自传感FRP筋
1，直接获得的是沿自传感FRP筋1的应变分布，利用该应变分布可进行两方面的结构评估：
一方面，利用应变反演混凝土柱的变形，再依据相关变形规定判定损伤状况；另一方面，直
接利用应变判别结构损伤状况。通常变形反演采用两部分分析方法：一部分,利用应变评估
柱角区的裂缝宽度，并进一步计算裂缝导致混凝土柱的几何变形；另一部分，利用柱身应变
直接计算混凝土柱的弯曲变形，采用虚功法。将两部分计算的变形相加即获得结构的总变
形。利用应变直接判别损伤采用残余应变反分析结构的方法，主要针对震后的结构，在混凝
土柱的低周反复本构模型中利用残余应变分析结构的损伤。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本
领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则
之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。