基于分布式光纤传感技术的PVC-CNF混凝土柱多组分应变解耦与多尺度协同增强机制

《Optical Fiber Technology》：Multi-component strain decoupling and multi-scale synergistic enhancement mechanism of PVC-CNF concrete columns enabled by distributed optical fiber sensing technology

　　欧阳一博|张欣|熊贤宇|李辉|刘一凯|李俊杰|盛恒希|高梦阳|王佳欣|宋佳乐|魏怀鹏|刘兴阳中国河南省郑州市450008，河南水利与环境职业学院摘要PVC-CNF增强混凝土柱依赖于宏观PVC约束与微观碳纳米纤维（CNF）增强之间的多尺度协同作用。然而，现有研究存在两个核心瓶颈：传统的纤维传感方法需要预先设定加载方向，且无法完全分离复合结构的多组分变形；同时，目前还没有定量框架用于描述这种动态的多尺度协同机制。为解决这些问题，本研究提出了一种基于分布式光纤传感（DOFS）的多组分应变监测方法，并建立了多尺度协同增强效应评估的理论框架。所提出的方法采用120°对称三角形光纤布局以及匹配的应变解耦算法，无需事先知道加载方向即可同步测量轴向应变、弯曲应变、变形方向，并间接量化界面滑移情况。这种方法克服了离散点测量的局限性，后者无法捕捉连续的全场应变分布。此外，还构建了多尺度评价指标体系与多尺度耦合模型来量化协同增强效应，并提出了“低载下定向增强、高载下分散增韧”的CNF双机制模型。在六个加载方向（以60°为间隔，从0°到300°）下对S1试件进行了对称三点弯曲试验，另外还准备了两个平行试件（S2、S3）在0°方向进行测试，以验证结果的重复性。实验结果证明了该方法的高精度：轴向应变测量误差≤3.8%，弯曲方向识别误差≤6.5°。试验表明，提高约束指数（CI）可以通过抑制混凝土的侧向膨胀并减少主应变方向的扩散，从而提升CNF的取向效率。此外，当应变异常指数（SAI）在极限载荷的86.2–88.8%时突然上升，可提前预警界面滑移和约束失效现象，这发生在宏观损伤出现之前。这些研究结果表明，CI可作为衡量约束效果的有效定量指标，而SAI则是判断界面退化的可靠预警指标，有助于优化PVC-CNF复合结构的PVC壁厚和CNF添加量。所提出的校准框架可通过局部重新校准轻松应用于参数不同的构件。引言随着现代基础设施向大跨度、高层建筑及深海应用等极端环境发展，混凝土结构在耐久性和承载能力方面面临着严峻挑战[1]、[2]、[3]。传统的钢筋加固系统易受腐蚀影响，且难以适应复杂的变形场；而单尺度加固材料（如碳纤维板）则无法同时满足宏观约束和微观抗裂的要求。近年来，由于碳纳米纤维具有极高的长径比和表面活性，能够通过纳米级方式桥接微裂缝并强化界面，因此在提高混凝土的断裂韧性方面展现出巨大潜力[4]、[5]、[6]。然而，单根纳米纤维加固在宏观尺度上仍存在局限性：它无法有效抑制混凝土的侧向膨胀（泊松效应）和脆性破坏，而且随机分布的纤维会导致取向效率不足。为解决这些问题，人们通过多尺度协同设计开发出了PVC-CNF（聚氯乙烯-碳纳米纤维）增强混凝土柱，其中PVC管提供三维宏观约束，而碳纳米纤维则负责实现微观抗裂和增韧功能[7]、[8]、[9]。近期有研究使用光纤布拉格光栅（FBG）传感器进行基于离散曲率的形状感知，证明了分布式光纤技术在检测复合管道局部屈曲方面的可行性，表明基于DOFS的方法是解决当前问题的可行途径。不过，仍然存在两个主要瓶颈。首先，宏观约束与微观加固之间的协同机制尚未得到定量描述，约束效率与纤维取向之间的动态耦合关系也需进一步研究。其次，缺乏用于复杂变形场的多组分实时监测技术，这既不利于验证协同效应，也不利于及时发出故障预警。为研究PVC-CNF混凝土柱的协同加固机制，精确监测多维度变形至关重要[10]、[11]、[12]。传统监测方法主要采用电阻应变片和FBG传感器等点测量技术，这类方法只能提供离散数据，无法获取材料内部的连续应变场分布。离散采样可能会遗漏局部变形信息，尤其是微裂缝萌生和扩展等关键信息；而用于填补数据缺口的插值方法则可能引入较大的测量误差[13]、[14]、[15]。相反，虽然密集部署多个传感器可以提高空间分辨率，但会大幅增加实验成本和复杂性。更关键的是，现有方法往往无法同时监测多个方向的变形分量[16]、[17]、[18]。在外部荷载作用下，复合材料会产生包含轴向、径向和周向应变分量的复杂三维应变状态。然而，传统的单点或单线测量方法只能获取一个方向的应变信息，难以区分不同应变分量的贡献，这严重限制了对协同加固机制的定量分析[19]、[20]、[21]。如果没有全面的应变状态数据，关于协同增强机制的研究往往只能停留在描述表面现象层面，无法深入分析内部机制。分布式光纤传感技术（DOFS）为解决这些难题提供了有力手段[22]、[23]、[24]。凭借其分布式、长距离传输以及实时高精度的特点，DOFS已成为材料性能表征的重要工具。与传统点传感器相比，分布式光纤能够沿其整个长度连续测量应变，且空间分辨率可达毫米级，从而能够捕捉到细微的局部变形[25]、[26]、[27]。目前基于DOFS的应变监测方法根据光纤布置方式可分为两类：单光纤法和多光纤法。多光纤法能够提供多维度应变信息，适合进行全面的变形监测[28]、[29]、[30]。然而，其单点应变分辨率有限，难以分离轴向应变和弯曲应变的贡献，进而降低变形方向识别和损伤定位的准确性。此外，现有的理论模型大多基于理想化假设（如均匀约束和随机纤维分布），因此难以解释实践中观察到的非线性行为，比如界面滑移和纤维取向的动态变化[31]、[32]、[33]。这一缺陷严重制约了高性能复合材料的结构优化与工程应用。总之，现有监测方法对于PVC-CNF复合柱存在三个固有局限：离散点测量无法捕捉局部变形细节；单方向传感无法分离相互耦合的轴向、弯曲和径向应变分量；目前的DOFS方案是为单尺度结构设计的，没有考虑宏观PVC约束与微观CNF取向之间的动态耦合关系。为弥补上述缺陷，本研究确立了两个主要研究目标，旨在探究PVC-CNF增强混凝土柱的多尺度协同增强机制。具体而言，研究重点包括：（1）开发一种多组分分布式光纤传感（DOFS）方法以及相应的应变解耦算法，用于捕捉空间变形情况；（2）建立多尺度评价指标体系，从数学上量化宏观PVC约束与微观CNF加固之间的动态协同效应。章节节选通过DOFS进行多组分变形监测如图1(a)所示，该PVC管试件被理论上建模为简支梁，以便分析其力学响应。试件的总长度为1200毫米，简支跨径为1000毫米，左端由销支撑，右端由滚轴支撑。在距任一支撑500毫米处的跨中位置施加对称三点弯曲载荷。为准确监测并分离这种复杂的应变场，图1(b)展示了实验设计。弯曲试验旨在模拟混凝土结构在不同地质运动条件下的变形情况。这种试验配置具有两个实际优势：首先，在低于柱子屈服强度的荷载下进行试验，可实现经济高效的重复测试；其次，将试件相对于加载方向旋转到特定角度，可以模拟不同主应力方向下的弯曲情况，从而直接验证所提出方法的普适性。特征指数的演变与机制通过DOFS应变数据得出的五个指数，可以对PVC-CNF混凝土柱的多尺度协同行为进行定量描述。取向因子（ηθ）用于衡量CNF与主应变方向的对应程度；约束指数（CI）用于评估PVC的约束强度；应变异常指数（SAI）可用于捕捉约束不均匀性，作为损伤发生的早期预警指标；曲率突变指数（CSI）则用于定位刚度不连续区域。结论本研究为PVC-CNF混凝土柱开发了一种多组分DOFS监测方法及多尺度协同模型。其核心创新在于提出了用于定量评估PVC约束效果的约束指数（CI），以及用于预警损伤前界面退化的应变异常指数（SAI）。主要研究结论如下：（1）120°对称三角形DOFS布局结合应变解耦算法，能够同步监测轴向应变、弯曲应变、变形情况。作者贡献声明欧阳一博：撰写——初稿撰写、正式分析、数据整理、概念构思。张欣：方法设计、实验研究。熊贤宇：可视化处理、结果验证。李辉：监督指导、软件应用、项目管理。刘一凯：可视化处理、结果验证、软件应用。李俊杰：可视化处理、数据整理。盛恒希：数据整理。高梦阳：可视化处理、结果验证。王佳欣：实验研究、正式分析。宋佳乐：软件应用、实验研究。魏怀鹏：实验研究、数据申报。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。致谢作者感谢国家自然科学基金委员会（项目编号：52474147、52309173、52378364）、河南省科技研究计划（项目编号：252102211032、252102210090、242102220091、242102211010）、河南省教育科学规划一般项目（项目编号：2025YB0109、2025YB0452）、国家级普通高校学科专业综合改革项目（项目编号：23HNCDXJ49）以及河南省水利科学技术重点项目的资助。