智能碳纤维增强聚合物（CFRP）线材：力学性能、自感知特性及工程应用

《Polymer Testing》：Smart carbon fiber reinforced polymer (CFRP) strand: Mechanical properties, self-sensing characteristics, and engineering applications

智能CFRP绞线光纤传感技术研究及其工程应用

　　本研究针对传统钢缆监测技术中存在的测量精度不足和长期可靠性欠佳等问题，提出了基于碳纤维增强聚合物（CFRP）材料的智能复合缆索系统。这种新型材料不仅具有优异的抗腐蚀性能，还具备良好的机械兼容性，从而显著提升了光纤光栅（FBG）传感器在嵌入式监测中的稳定性与可靠性。通过将FBG传感器嵌入CFRP棒芯并结合拉挤成型工艺，研究人员成功开发出具备自感知功能的智能CFRP缆索。这一创新设计在结构承载与传感功能之间实现了有效的耦合，从而在桥梁工程中提供了更精确的缆力监测方案。

CFRP材料因其高比强度、卓越的抗疲劳性能和出色的耐腐蚀性，被认为是替代传统钢缆的有力候选材料。在桥梁工程中，CFRP缆索能够增强结构的跨度能力，延长索体使用寿命，并降低长期维护成本。然而，由于CFRP制造成本相对较高，其在实际工程中的大规模应用仍面临挑战。为此，本研究致力于通过优化嵌入式传感技术，提升CFRP缆索的测量精度和可靠性，以期在经济性和实用性之间找到平衡点。研究团队设计了一种集成式CFRP-钢缆复合缆索，这种复合结构不仅保留了CFRP材料的优异性能，还通过FBG传感器实现了对缆力的实时监测，为桥梁健康监测提供了一种创新解决方案。

在实验设计方面，研究人员首先通过拉挤成型工艺制造了CFRP棒材，并在其核心位置嵌入FBG传感器。随后，通过螺旋绞合工艺将这些智能CFRP棒材与传统钢丝绞合，形成了具有自感知能力的CFRP-钢缆复合缆索。这种设计在保持CFRP材料结构性能的同时，有效提高了FBG传感器在复杂环境下的稳定性。在实验过程中，研究人员采用了准静态拉伸测试和极限拉伸测试，以评估智能CFRP缆索在不同载荷条件下的监测性能。测试结果显示，FBG波长偏移与轴向应变之间呈现高度线性关系，相关系数达到0.99，总监测误差控制在11.5%以内，其中滞后误差、线性误差和重复性误差分别不超过10%、3%和6.6%。特别是在极限载荷条件下，监测精度仍高达99.2%，表明FBG传感器在CFRP保护下能够有效应对缆索断裂前的高应力环境，验证了其在桥梁工程中的可靠性。

为了进一步评估CFRP缆索在实际应用中的性能，研究团队对两个实际桥梁项目进行了现场验证。其中包括宁波舟山港六横高速公路桥和河南安罗黄河大桥。在这些桥梁中，智能CFRP-钢缆复合缆索被成功嵌入，用于监测关键部位的应力变化。现场测试结果表明，该系统在恶劣的机械应力和复杂环境条件下均表现出良好的监测性能，证明了其在实际工程中的可行性。通过这种智能监测系统，不仅可以实时掌握桥梁结构的应力状态，还能在潜在安全隐患出现时提供预警，从而提升桥梁的安全性和使用寿命。

在理论分析方面，研究团队探讨了FBG传感器与CFRP材料之间的应变传递机制。传统的FBG传感器在钢缆中应用时，由于钢缆与光纤的弹性模量存在显著差异（钢缆约为210 GPa，而光纤约为70 GPa），导致应变传递效率低下，并可能引入系统误差。为了解决这一问题，研究人员采用CFRP作为传感器的保护基质，以优化应变传递效率并提高长期监测的可靠性。通过嵌入FBG传感器，CFRP缆索能够实现高精度的轴向应变监测，其应变精度达到1.61%或3.92 με，空间分辨率达到10 mm以下。此外，CFRP材料的低热膨胀系数（-0.190×10^-6/°C）和良好的抗腐蚀性，有效减少了环境因素对FBG传感器性能的影响，使其在长期运行中保持稳定。

实验结果还显示，CFRP缆索在不同载荷条件下表现出优异的机械性能。在准静态拉伸测试中，CFRP缆索的轴向弹性模量平均值为126.7 GPa，断裂伸长率为6.88%，极限力为165.2 kN。这些数据表明，CFRP缆索在保持高承载能力的同时，具备良好的延展性和稳定性。在疲劳测试中，CFRP缆索在经历2×10⁶次循环载荷后，其极限力略有提升，达到192 kPa，说明CFRP材料在长期使用中具备一定的自我修复能力。同时，研究人员发现，尽管CFRP缆索在疲劳过程中经历了微裂纹的产生和扩展，但其核心结构仍保持完整，这种特性为长期健康监测提供了保障。

在实际工程应用中，智能CFRP-钢缆复合缆索已被成功应用于宁波舟山港六横高速公路桥和河南安罗黄河大桥。在这些桥梁中，研究人员采用了定制化的安装工艺，确保了智能缆索在施工和运营阶段的精确监测。现场测试结果表明，这种复合缆索不仅能够实时监测桥梁结构的应力变化，还具备良好的环境适应性。通过结合CFRP的耐腐蚀特性与FBG的高精度传感能力，研究人员为桥梁工程提供了一种兼具成本效益和长期可靠性的监测解决方案。

研究还探讨了智能CFRP-钢缆复合缆索的监测误差来源及其优化方法。在静态载荷条件下，研究人员通过对比应变片和FBG传感器的监测数据，发现智能CFRP缆索的监测误差主要来源于滞后效应、线性偏差和重复性误差。通过优化传感器嵌入方式和材料匹配性，研究人员成功将这些误差控制在合理范围内，从而确保了监测系统的准确性。此外，研究还强调了环境因素对监测性能的影响，特别是在高湿度和腐蚀性环境中，CFRP的保护作用对FBG传感器的长期稳定性至关重要。

从长远来看，智能CFRP-钢缆复合缆索的应用前景广阔。随着CFRP材料在桥梁工程中的不断推广，其结合FBG传感器的自感知技术有望在大型桥梁和海洋工程中发挥重要作用。这种技术不仅能够提高桥梁结构监测的精度和效率，还能降低维护成本，延长使用寿命。此外，智能缆索系统的开发还为未来桥梁的智能化和自动化监测提供了新的思路，有助于实现更精准的结构健康评估和更高效的运维管理。

本研究的创新点在于通过优化CFRP材料与FBG传感器的集成方式，实现了结构承载与传感功能的统一。这种设计不仅克服了传统钢缆在腐蚀环境中的局限性，还显著提升了监测精度和长期可靠性。同时，研究团队通过实验验证了智能CFRP-钢缆复合缆索在实际桥梁中的应用效果，为未来的大规模工程应用奠定了基础。尽管当前研究仍存在一些局限，如实验条件的限制和监测系统的进一步优化需求，但其为桥梁工程中的智能监测技术发展提供了重要的理论支持和实践指导。未来的研究可以进一步探索CFRP缆索在不同环境条件下的性能演变，以及其在复杂结构中的适应性，从而推动这一技术在更广泛领域的应用。