1 引 言
近年来，光纤光栅传感技术迅速发展，引起了研究者们的广泛关注，人们希望由此获得传感技术的创新。光纤光栅传感器自身拥有高精度和动态测试的能力，被认为是最有前景的传感器之一。光纤光栅传感器在许多方面得到了发展，如应变、温度、加速度、角度、裂缝等方面的测量。近年来，一些研究者提出在结构损伤识别中应用长标距[1-6]光纤光栅应变传感器[7]，也有一些研究者提出新型的传感器[8-10]和新型的测量方法[11-12]。本文提出利用中性轴作为损伤指标, 利用光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器测得的宏应变数据定位组合梁横截面的中性轴位置，通过横截面中性轴位置是否发生变化来确定组合梁是否发生损伤。
2 基本原理
2.1 宏应变
传感器测得的应变是标距内的平均应变，本文采用的是准分布式长标距FBG应变传感器，故测得的应变称之为宏应变：
式中 MX 为梁截面X处的弯矩，yX 为梁截面X处横截面上任一点到中性轴的距离，εˉm - n 为梁截面m、n范围内梁的宏应变（平均应变），-Im - n 为梁截面m、n范围内梁的平均抗弯刚度，Lm-n为梁截面m、n间的距离。
2.2 基于宏应变技术的中性轴定位损伤
由于结构横截面刚度减小，如行车道和主梁界面分离、裂缝出现等，会导致横截面中性轴的位置发生变化，因此，横截面中性轴可作为损伤指标。
3 试验方案与试验
试验基于长标距裸FBG传感器的组合梁损伤定位研究。利用准分布式长标距裸FBG应变传感器、光纤解调仪、计算机、反力架建立一健康监测系统，试验系统如图1所示。在组合梁的上下翼缘表面布置准分布式长标距裸FBG应变传感器，利用FBG应变传感器测得的宏应变数据定位组合梁横截面的中性轴位置，通过横截面中性轴位置是否发生变化来确定组合梁是否发生损伤。
3.1 试验构件
试验构件是一简支钢-混凝土组合梁，跨度为1700 mm，钢筋采用HPB235，混凝土板设计强度为C25，工字钢型号为20#，Q235。组合梁按弹性方法设计[13-14]，试件横截面尺寸及配筋详图如图2所示。
3.2 传感器
试验制作的准分布式长标距裸FBG应变传感器的平均标距分别为200 mm和300 mm，为便于叙述，两准分布式长标距裸FBG应变传感器依次定义为F1、F2。
F1由2个中心波长分别为1542 nm和1547 nm的光纤光栅构成，各个光纤光栅平均标距为300 mm。为了便于叙述，将布置在上翼缘下表面的传感器各个光纤光栅按波长从小到大依次定义为F1t，1、F1t，2；将布置在下翼缘上表面的传感器各个光纤光栅按波长从小到大依次定义为F1b，1、F1b，2；F2由 3个中心波长分别为 1521 nm、1530 nm 和 1536 nm 的光纤光栅构成，各个光纤光栅平均标距为200 mm。为了便于叙述，将布置在上翼缘下表面的传感器各个光纤光栅按波长从小到大依次定义为F2t，1、F2t，2、F2t，3；将布置在下翼缘上表面的传感器各个光线光栅按波长从小到大依次定义为 F2b，1、F2b，2、F2b，3。如F1b,1 表示 FBG应变传感器的平均标距为 200 mm，粘贴在下翼缘上表面，而下翼缘上表面总共贴了两个光栅，1表示在3~4单元处的光栅。
3.3 传感器布置
裸FBG应变传感器沿组合梁的纵向粘贴在工字钢梁的上翼缘的下表面、下翼缘的上表面和传感器布置方案如图3所示。
3.4 试验加载制度
试验采用逐级加载方式，每2 kN为一级，加载至154 kN。加载后待波长稳定再加下一级荷载。试验加载示意图如图4所示。
4 试验数据分析
利用中性轴作为损伤指标。首先，根据准分布式长标距裸FBG应变传感器（F1、F2）测得的相应单元的宏应变绘制出组合梁横截面的应变图；其次，定位组合梁横截面中性轴位置；最后，判断组合梁是否损伤。
试验完成后混凝土板与钢梁交界处如图5所示，图5显示混凝土板与钢梁的交界面分离。试验数据分析如下。
在0~154 kN范围内，根据F1，（1 标距300 mm）测得的7~12单元的宏应变定位组合梁的横截面中性轴；根据F1，（2 标距300 mm）测得的1~6单元的宏应变定位组合梁的横截面中性轴。根据F2，1测得的1~4单元的宏应变定位组合梁的横截面中性轴；根据F2，2测得的5~8单元的宏应变定位组合梁的横截面中性轴；根据F2，3测得的9~12单元的宏应变定位组合梁的横截面中性轴。具体结果如图6~10所示。
在图6中，F1t，1与F1b，1根据0~38 kN范围内的荷载作用下所测得的宏应变值定位中性轴位置y=158.8 mm；根据40~108 kN范围内的荷载作用下所测得的宏应变值定位中性轴位置y=134.3 mm；根据110~154 kN范围内荷载作用下所测得的宏应变值定位中性轴位置y=122.3 mm。
图7中，F1t，2与F1b，2根据0~38 kN范围内的荷载作用下所测得的宏应变值定位中性轴位置 y=155.4 mm；根据40~108 kN范围内的荷载作用下所测得的宏应变值定位中性轴位置 y=129 mm；根据110~154 kN范围内的荷载作用下所测得的宏应变值定位中性轴位置 y=116.4 mm。
图8中，F2t，1与F2b，1根据0 ~38 kN范围内的荷载作用下所测得的宏应变值定位中性轴位置 y=170 mm；根据40~82 kN范围内的荷载作用下所测得的宏应变值定位中性轴位置 y=150.4 mm；根据84~108 kN范围内的荷载作用下所测得的宏应变值定位中性轴位置 y=111.4 mm；根据110~154 kN范围内的荷载作用下所测得的宏应变值定位中性轴位置y=108 mm。
在图9中，F2t，2与F2b，2根据0~38 kN范围内的荷载作用下所测得的宏应变值定位中性轴位置y=157 mm；根据40~82 kN范围内的荷载作用下所测得的宏应变值定位中性轴位置 y=140 mm；根据84~108 kN范围内的荷载作用下所测得的宏应变值定位中性轴位置 y=130.7 mm；根据110~154 kN范围内的荷载作用下所测得的宏应变值定位中性轴位置 y=122.4 mm。
在图10中，F2t，3与F2b，3根据0~38 kN范围内荷载作用下所测得的宏应变值定位中性轴位置y=161 mm；根据40~82 kN范围内荷载作用下所测得的宏应变值定位中性轴位置y=130.4 mm；根据84~108 kN范围内荷载作用下所测得的宏应变值定位中性轴位置y=111 mm；根据110~154 kN范围内荷载作用下所测得的宏应变值定位中性轴位置y=104.9 mm。由图6~10结果分析如下。在0~38 kN范围内，根据F1、F2测得的宏应变绘制出的中性轴位置基本相同，可判断此荷载区间内组合梁无损伤，恰与组合梁实际状态（此荷载区间内混凝土与工字钢交界面未分开）吻合。在40~108 kN范围内，由F1所得的中性轴位置较之前有相当大的变化；而在40~82 kN和84~108 kN范围内，由F2所得的中性轴位置较之前都有较大的变化。上述现象的原因与构件在40~108 kN区间内的荷载前期，混凝土与工字钢交界面分离程度小，而后期混凝土板与工字钢交界面分离程度较之前大这一事实相吻合。在110~154 kN范围内，由F1、F2所得的中性轴位置较之前有变化，亦与混凝土板与工字钢交界面分离程度吻合。
由上述分析可知，标距为300 mm的F1传感器识别损伤的能力较标距为200 mm 的F2传感器识别损伤的能力弱；但其仍可有效地识别损伤。
5 结 论
采用准分布式长标距 FBG应变传感器对组合梁结构中的损伤进行了探测和识别。准分布式长标距FBG应变传感器离损伤位置越远所测得的应变值变化越小，故传感器所测范围有一定的限制，倘若在预测部位全布传感器，可解决此问题。对于弹性构件,圆孔对传感器测量值有一定的影响，尽管准分布式长标距FBG应变传感器受到邻近损伤部位的干扰，仍可有效地预警损伤、定位损伤、识别损伤程度。
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