1.研究背景与意义
应变作为反映材料力学行为与结构状态的核心参数，是结构健康监测中最重要的指标之一。对机场刚性道面进行实时应变感知监测，对于掌握其结构服役状态、提升运行安全与精准养护水平具有重要意义。在道面内部埋设应变计，可实现运行过程中的连续监测，从而为智慧跑道建设提供关键数据支撑。光纤光栅传感器因成本低、抗电磁干扰能力强、适用于嵌入式监测等优势，在路面工程中得到广泛应用。
2.埋入式FBG应变计感知原理与非协同变形机制
埋入式FBG应变计基于光纤布拉格光栅传感原理。FBG的中心波长λB=2neffΛ 当外界应变作用于传感器时，光栅周期Λ和有效折射率neff发生变化，导致中心波长漂移ΔλB。通过标定应变灵敏度系数，可将波长漂移转换为应变值。本试验采用的SFG-M15型应变计灵敏度系数为-75με/nm，BA-OFS15H型为 238με/nm。
非协同变形是指由于传感器封装材料、尺寸与混凝土基体不同，在荷载作用下两者界面产生相对滑移或应力集中，使得传感器测得的应变与基体真实应变不一致。其评价指标采用绝对误差E=|ε1-ε0 |与相对误差E=∣ε1−ε0ε0∣E = \left| \frac{\varepsilon_1 - \varepsilon_0}{\varepsilon_0} \right|E= ε0ε1−ε0 ，其中ε1为应变计实测值，ε0为应变片测得的标准值。
3.室内结构模型试验与结果
制备尺寸为150mm×150mm×550mm的小梁试件，并在距底部3cm处设置直径10mm的通孔用于钢筋穿设固定。考虑到浇筑过程需在振动台上完成，模具四周设置夹具以增强整体刚度（见图 1）。混凝土强度等级分别为C20、C30、C40。内置两种FBG应变计：SFG-M15（应变计尺寸9mm×150mm，法兰盘直径ϕ40 mm,弹性模量190GPa）和BA-OFS15H（应变计尺寸ϕ33mm×150mm，法兰盘直径ϕ40mm,对应弹性模量160GPa）。共制作5个带埋入式应变计的标准试件编号及对应参数见表1。
图1 埋入式应变计的梁试件成型方法 表1 试件编号及对应传感器参数
为获得应变标准值，在试件表面粘贴高精度中航电测应变片BQ120-60AA（敏感栅为 60mm×2.5mm），并通过DH3816N静态测试系统完成数据解调。采用MTS万能试验机开展室内四点弯曲试验。非协同变形试验装置由加载仪器、静应变测试系统、光纤光栅解调仪和接收终端构成（见图2）。静载试验设置5、10、15、20 kN四级加载；动载试验在10～15kN范围内施加0.5Hz与1Hz的正弦循环荷载。应变片经焊接接线接入解调仪，输入电阻及灵敏系数后同步采集信号，采样频率均为100Hz。试验所得的应变计与温度补偿试件数据均采用小波变换降噪，最终将标准试件与温度补偿试件的降噪结果相减，得到去除温度影响后的荷载应变，作为本文的实测应变。
图 2 非协同变形试验装置
为检验埋入式应变计于多次重复加载下的感知有效性，在每级荷载下进行3次独立的重复加载；对每级荷载采集的数据随机抽取30组，进行分析；同一试件（A-40）在各次加载下应变随荷载呈稳定的阶梯式增长，曲线形态与幅值高度一致，表明埋入式应变计在重复加载条件下具有良好的稳定性与重复性（见图3a）。平行试件（B-40）在相同加载工况下的应变发展趋势与数值水平基本一致，说明在相同材料与传感器埋设条件下，埋入式应变计的感知结果具有良好的一致性，随机离散性较小（见图3b）。
图3 基于重复加载的感知有效性研究
随后对A-40试件施加0.5Hz动态荷载，结果显示：应变与荷载变化同步，呈明显周期性，二者相关性良好（见图4a）。实测应变在11.8～18.3με范围内稳定波动，波峰与波谷趋势与荷载一致但存在轻微滞后，说明应变传递过程中存在一定延迟，但未影响总体感知有效性，可较好反映试件在动态荷载下的变形。
图4 A-40荷载-应变响应曲线
准确性方面，采用逐级加载评价埋入式应变计的测量准确性。结果显示，应变片得到的应变--荷载曲线整体高于应变计感知曲线；随着荷载增大，两者差值逐渐增大（见图5a）。两者呈良好线性关系，R2=0.993，说明埋入式应变计能较好反映试件整体变形（见图5b）。但在相同荷载下，实测值普遍小于标准值，其主要原因在于传感器封装结构与模量均与混凝土基体存在差异（非协同变形），导致应变传递不完全。
图 5 基于准确性对比的感知有效性分析
对埋入式 FBG 应变计与机场刚性道面进行非协同变形分析：
逐级加载的影响：拉应变条件下，标准值高于实测值，且斜率更大，应变片对荷载变化更为敏感，埋入式应变计存在一定响应滞后，需经过一段时间的稳定监测才能反映当前真实应变。绝对误差呈阶梯式增长，相对误差在一定范围内波动，表明应变传递损失随受力水平提高而逐渐累积。
动载频率的影响：0.5Hz和1.0Hz动载下，应变均呈正弦变化，实测值低于标准值。在 2 种加载频率下绝对误差均随时间呈周期性波动，与应变响应具有良好对应关系；相较0.5Hz，1.0Hz下绝对误差与相对误差整体水平更高、波动幅度更大，说明随着加载频率升高，应变传递滞后加剧，非协同变形程度进一步增强。标准应变振幅由0.5Hz增至1.0Hz时降低7.8 %，而实测值降低25.9%，高频下非协同变形显著增强。
基体模量的影响：混凝土模量越高（C20→C40），试件的应变幅值减小、曲线更平稳，体现出较高的抗变形能力和更稳定的弹性响应；传感器与基体的模量差减小，应变传递效率提高，非协同变形程度明显减弱。C40试件最大相对误差约17%，C20试件约25%，整体变化范围约为 8%。
传感器参数的影响：对比A-40（SFG-M15，ϕ9 mm）与B-40-1（BA-OFS15H，ϕ33 mm），2种传感器均存在非协同变形现象，但封装半径较小的SFG-M15型（B-40-1）误差更低、感知精度更高，表明传感器尺寸对非协同变形具有显著影响。减小封装半径、增大标距长度可减弱非协同变形。
4. 讨论与展望
本实验表明，埋入式FBG应变计在静载、动载和重复加载下均能稳定、有效地感知混凝土应变，具有良好的重复性和一致性。但非协同变形仍客观存在：拉应变误差大于压应变；动载频率越高，滞后和幅值衰减越严重；混凝土模量越高、传感器尺寸越小，非协同变形越弱。
基于此，在实际机场道面工程中，建议优先选用封装尺寸小、标距长的FBG应变计；采用钢筋支架等固定装置确保埋设位置稳定；结合室内试验标定结果或数值分析成果，对实测应变数据进行必要修正后再用于结构性能评估与养护决策。同时，通过多传感器协同监测与长期运行数据对比，进一步提高应变监测结果的可靠性与工程适用性。