《International Journal of Mechanical Sciences》：Damage Detection of Steel-FRP Composite Bar via All-fiber Acoustic Sensing
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钢-FRP复合棒应变与腐蚀损伤光纤传感检测研究。提出光纤增强钢-FRP复合棒（OF-SFCB）集成全光纤声学传感系统，实现应变（0-13200με）和超声信号双重监测。通过FBG侧带滤波捕获FRP层损伤声发射信号，结合腐蚀进程中超声信号峰值衰减（相关系数0.9878）实现钢骨腐蚀检测。试验表明OF-SFCB拉伸强度超800MPa，具备长期稳定监测能力，有效解决传统光纤传感器外置导致的信号衰减和损伤定位不精准问题。
魏罗|邹杜建|刘铁军|李克轩
哈尔滨工业大学智能土木与海洋工程学院，深圳，中国
摘要
钢纤维增强塑料（SFCB）由于重量轻、强度高、耐腐蚀和延展性优异，被广泛应用于结构工程中。然而，在环境和机械载荷的共同作用下，SFCB仍可能发生损伤。尽管嵌入光纤的FRP杆已经实现了应变监测，但SFCB的现场损伤检测技术仍不成熟。为了解决这一问题，研究人员开发了一种集成全光纤声学传感（AFAS）系统的光纤-钢纤维增强塑料杆（OF-SFCB）。在OF-SFCB内部嵌入了两根光纤：一根光纤上刻有光纤布拉格光栅（FBG），用于监测应变和声发射（AE）；另一根光纤装有光电声转换器，用于发射超声波。这两根光纤共同构成了AFAS系统，用于超声波检测。通过真空袋法制备的样品表现出超过800 MPa的抗拉强度和显著的二次刚度特性。利用FBG的应变监测特性曲线，可以监测OF-SFCB从0到13200 με范围内的应变。通过FBG的旁带滤波，可以连续监测OF-SFCB在拉伸过程中外部FRP损伤产生的AE信号。累积AE信号强度和次数曲线清晰地反映了FRP损伤的演变过程。基于特征的聚类方法将AE事件分为三类，从而实现了FRP损伤的模式识别。AFAS系统还能够在加速腐蚀条件下对OF-SFCB中的钢筋进行现场超声波检测。随着腐蚀的进展，超声波信号的峰峰值和主导频率均有所下降。峰峰值与质量损失率之间的线性拟合决定系数为0.9878。本研究为SFCB的工况监测和损伤检测提供了一种新的方法。
引言
纤维增强聚合物（FRP）复合材料由聚合物基体包裹高强度纤维组成[1,2]。FRP具有重量轻、强度高、设计灵活和耐腐蚀等优点，因此在土木工程[3][4][5][6]、机械工程[8][9][10][11][12]、航空航天[13][14][15][16][17]等多个领域得到广泛应用。根据具体应用需求，FRP可以加工成各种几何形状，例如用于结构加固的FRP板材[18][19][20]和织物[21][22][23]，以及用于承重构件的FRP杆[24][25][26]和管道[27][28][29]。其中，由连续单向纤维包裹在环氧树脂中的FRP杆作为钢材的替代材料，适用于沿海和海洋环境[30,31]。FRP增强混凝土结构已被提出、广泛研究并得到应用[32][33][34]。然而，FRP杆属于典型的线性弹性材料，具有脆性破坏特性和较低的弹性模量，这会导致显著的变形，增加FRP增强混凝土结构的裂缝控制难度和剪切强度[35,36]。为了解决FRP杆的脆性问题，研究人员提出了将FRP与钢筋结合形成钢纤维增强塑料杆（SFCB）[37][38][39]。SFCB由内层钢筋和外层FRP组成，结合了两种材料的优点：内层钢筋提供了明显的屈服平台和平面变形能力，提高了剪切强度[40]；SFCB的弹性模量远高于FRP杆（达到钢材的50%-70%），有效控制了结构变形和裂缝扩展[41]；此外，SFCB具有显著的二次刚度特性[42][43][44]，使其比FRP杆具有更好的延展性[45,46]。因此，SFCB在土木工程结构中的应用日益增多[47,48]。
然而，在恶劣环境中运行的SFCB系统仍可能因长期环境影响和载荷作用而发生退化和损伤[49][50][51]。特别是海洋混凝土结构，由于高温、高湿度和强碱性环境，FRP会加速老化[52][53][54]；疲劳载荷也可能导致FRP开裂和分层[55][56][57]，使海水中的氯离子和水分逐渐渗透到FRP层缺陷中，腐蚀内部的钢筋。SFCB的损伤和退化会降低其承载能力，增加裂缝风险，影响结构安全性[58]。因此，对SFCB进行现场损伤检测和监测对于评估结构安全性和可靠性至关重要[58]。近年来，先进的传感和非破坏性检测技术（如超声波[59][60][61][62][63]、声发射[64][65][66][67][68]、红外热成像[69][70][71][72][73]和光纤[74][75][76][77][78]）被广泛应用于FRP及其增强结构的损伤检测和监测。然而，这些研究中使用的大多数传感器需要外部安装，无法实现现场损伤监测；同时，这些技术通常对测试环境有严格要求，例如声学传感器和红外相机需要稳定的测试环境，无法在海洋和沿海等恶劣条件下长期使用。此外，这些单一传感器技术只能检测有限的物理量，难以全面检测和识别SFCB的多源损伤（FRP和钢筋）。
特别是光纤传感技术，在FRP的工况监测和损伤检测方面受到了广泛关注，因为它具有耐腐蚀、部署灵活、高复用能力和抗电磁干扰等优点[79][80][81][82][83]。作为纤维材料，光纤与FRP具有天然的兼容性，可以将其微米级的光纤嵌入FRP中而几乎不会造成损伤[84,85]。研究人员开发了嵌入光纤的智能FRP杆和SFCB[86,87]，光纤沿FRP杆轴向排列。利用光纤布拉格光栅（FBG）或分布式光纤传感（DFOS）技术，实现了应变的现场监测[88][89][90]；通过分析FRP杆内的应变分布和演变，可以识别损伤并评估FRP增强混凝土结构的安全性[91]。Zhou等人开发了一种嵌入DFOS系统的SFCB，能够在拉伸测试中实现高精度应变监测，并便于追踪裂缝扩展过程[91]。然而，应变分析只能间接反映宏观损伤（如混凝土开裂），无法有效识别钢筋内部的细微损伤。因此，迫切需要扩展光纤传感系统可检测的物理参数范围，建立这些新参数与FRP损伤之间的直接关联。全光纤声学传感（AFAS）技术使用光纤作为声学激励和检测的唯一介质[92][93][94][95]；Wu等人提出了一种全光纤光电系统，可在50×50 cm2的区域内实现1 mm分辨率的裂缝监测[96]。对于现有的智能FRP杆和SFCB，可以通过光纤微结构设计和信号解调系统实现AFAS系统的集成，为SFCB的现场损伤检测和监测提供了一种新方法。
本文介绍了一种嵌入光纤的SFCB（OF-SFCB）。凭借其优异的机械性能，该材料集成了应变监测和全光纤声学传感功能。光纤作为唯一的传感元件，嵌入SFCB内部的钢筋中，利用FBG监测SFCB的应变和外部FRP层损伤产生的声发射；通过集成移相FBG和光纤超声转换器，实现对内部钢筋的超声波检测，从而检测腐蚀情况。AFAS系统嵌入SFCB中，可在海洋环境中实现长期稳定的传感和监测。本文结构如下：第1节回顾了SFCB的概念、优势和损伤监测方法；第2节介绍了FBG应变监测和全光纤声学传感的基本原理；第3节详细阐述了所开发OF-SFCB的结构和制造工艺；第4节评估了OF-SFCB的抗拉性能；第5节通过实验研究了OF-SFCB的应变监测能力；第6节介绍了SFCB的损伤检测和监测方法，包括声发射监测和超声波检测；第7节总结了核心结论。
章节摘录
多参数光纤传感原理
目前，SFCB可以利用FBG或DFOS进行应变监测，但无法直接检测钢筋本身的损伤。实际上，光纤传感技术可以检测多种物理参数。本节介绍了嵌入OF-SFCB中的光纤传感系统及其传感原理，包括应变监测和基于声学的损伤检测。
光纤传感技术通过监测光信号的微小变化来检测外部物理参数
OF-SFCB的结构和制备
本节概述了所开发OF-SFCB的结构和制造工艺。由于当前研究仍处于初步验证阶段，样品由研究人员自行制备。
SFCB是一种轴向承重构件，通过将钢筋或钢丝束包裹在FRP层中制成[114,115]。FRP层由涂有环氧树脂的连续单向纤维组成，提供主要的轴向承载能力。
机械性能
作为结构复合材料，OF-SFCB必须具备优异的机械性能。本节介绍了自制备OF-SFCB的抗拉性能，以评估其作为轴向承重构件的可行性。使用通用测试机（SHT4206，MTS Systems，美国）对所开发的OF-SFCB进行了抗拉性能测试。根据ASTM D7205/D7205M-21标准，制备的OF-SFCB试样总长度为70 cm。
应变监测性能
OF-SFCB的主要传感功能之一是测量钢筋的轴向应变。分析应变的演变和分布可以了解OF-SFCB在应力作用下的变形情况以及钢筋混凝土结构的开裂情况。本节评估了OF-SFCB在拉伸过程中的应变监测能力。如第2节所述，FBG应变监测是通过监测和分析光信号的变化来实现的
损伤检测能力
现有的智能FRP杆或SFCB只能基于光纤布拉格光栅（FBG）或分布式光纤传感（DFOS）进行应变监测，无法直接检测钢筋的损伤。由于载荷和环境因素的长期作用，嵌入混凝土中的SFCB可能会发生损伤，如FRP层开裂或内部钢筋腐蚀。本研究开发了AFAS技术，并在SFCB中实现了相应的传感系统。结论
本文提出了一种智能光纤-钢纤维增强塑料杆（OF-SFCB），其中嵌入了全光纤声学传感（AFAS）系统。通过在SFCB中嵌入两根光纤并集成外部信号解调系统，实现了应变监测和损伤检测功能。主要研究结果如下：
提出了嵌入AFAS系统的OF-SFCB的概念和结构；明确了多参数传感原理和信号处理方法
作者贡献声明
魏罗：概念构思、初稿撰写、方法论设计、验证、数据分析、可视化。 邹杜建：概念构思、资金获取、资源协调、审稿和编辑。 刘铁军：概念构思、项目监督、资金获取、资源协调。 李克轩：数据收集、验证。
作者贡献声明
魏罗：初稿撰写、可视化、验证、方法论设计、数据分析、概念构思。 邹杜建：审稿与编辑、资源协调、资金获取、概念构思。 刘铁军：项目监督、资源协调、资金获取、概念构思。 李克轩：数据验证、研究实施。
