土木工程结构损伤过程中,构件在表现出较大应变之前,已经出现更大的应变梯度,监测应变梯度具有更加敏感、更早捕捉损伤的优势。本文以平面应变梯度理论分析为基础,为了满足土木工程结构长期健康监测的需要,对光纤光栅应变梯度测试设备进行了研发,经三点弯曲梁应变梯度测试试验验证了该设备能够检测到结构应变梯度变化。本文的主要研究内容包括以下方面:(1)本文基于高阶Cauchy-Born准则,通过坐标转换、建立新旧坐标系下平面矢量的坐标转换公式,推导了新坐标系下应变梯度的关系式。应用平面应变状态分析方法和链式法则,结合新坐标系下应变梯度的变换关系式,分析并求解了平面应变梯度的最大值情况,为传感器在构件表面的布设方式的确定提供了理论依据。(2)为了测量构件变形的应变梯度,本文研发了一套光纤光栅应变梯度传感测试设备,该设备最核心的部分为光纤光栅应变梯度分析仪和光纤光栅应变梯度分析软件。光纤光栅应变梯度分析仪具有更高的波长识别精度,可以输出高分辨率的光纤光栅反射谱光谱图;光纤光栅应变梯度分析软件用高斯拟合算法识别出中心波长、3dB带宽等信息,依据带宽展宽量与应变梯度的线性关系和平面应变梯度理论,算出构件的应变梯度。(3)利用压力作用下三点弯曲梁产生非均匀应变,带动光栅使布拉格反射波长漂移的同时带宽展宽,实现应变梯度传感。以材料力学为基础推导三点弯曲梁变形的应变梯度理论值,对比了光纤光栅应变梯度传感测试设备测量得到的应变梯度测量结果与以材料力学为基础计算的理论值,验证了该设备测量应变梯度的可行性、准确性。(4)光纤光栅传感器和构件的变形耦合情况对应变梯度测量结果有较大影响,光纤光栅传感器在构件表面粘贴完好情况下,可以取得较好的应变梯度测试效果。光纤光栅应变梯度分析软件识别波长、带宽的精度、准确度对应变梯度测量结果影响较大。