機(jī)敏網(wǎng)傳感器及其在橋梁裂縫監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

摘要：機(jī)敏網(wǎng)裂縫監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)模擬人類神經(jīng)系統(tǒng)的感知機(jī)理，可對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)表面裂縫進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。針對(duì)斜拉橋索塔結(jié)構(gòu)不同寬度裂縫的監(jiān)測(cè)需要，基于機(jī)敏網(wǎng)傳感器，提出了一種對(duì)初始裂縫發(fā)生發(fā)展及寬度監(jiān)測(cè)的方法。大量實(shí)驗(yàn)證明改進(jìn)后的機(jī)敏網(wǎng)傳感器能夠監(jiān)測(cè)到混凝土結(jié)構(gòu)表面不同開裂程度的裂縫及其擴(kuò)展情況，根據(jù)不同型號(hào)漆包線的斷裂對(duì)初始裂縫寬度進(jìn)行判斷。應(yīng)用改進(jìn)后的機(jī)敏網(wǎng)傳感器，在橋梁索塔監(jiān)測(cè)中及時(shí)發(fā)現(xiàn)了裂縫的發(fā)生發(fā)展情況和開裂程度，保障了橋梁安全。
關(guān)鍵詞：裂縫監(jiān)測(cè)；機(jī)敏網(wǎng)傳感器；裂縫寬度監(jiān)測(cè)；橋梁索塔

0 引言
    由于橋梁在設(shè)計(jì)、建設(shè)和養(yǎng)護(hù)過程中的失誤，工程材料的自然缺陷，加之外界自然環(huán)境變化，日益增加的交通量等因素，隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)，橋梁結(jié)構(gòu)的損傷逐漸暴露。結(jié)構(gòu)表面裂縫的出現(xiàn)直觀地反映了橋梁結(jié)構(gòu)的損傷程度，如不及時(shí)控制裂縫的發(fā)生和發(fā)展，將直接威脅到橋梁的使用安全。運(yùn)用現(xiàn)代傳感技術(shù)，人們針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)局部裂縫監(jiān)測(cè)提出了一些可行的方法。被廣泛采用的點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法，即在橋梁結(jié)構(gòu)上的一些理論預(yù)測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)位置布設(shè)如應(yīng)變、加速度等傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)傳感信號(hào)判斷全橋或局部健康狀態(tài)。如果預(yù)測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)比較準(zhǔn)確，點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法是一種可行的方法。但在實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)中，由于材料的非均勻性及計(jì)算誤差等原因，裂縫不一定出現(xiàn)在理論預(yù)測(cè)的關(guān)鍵點(diǎn)。根據(jù)Soh等人的研究，對(duì)于尺度較大的橋梁結(jié)構(gòu)，裂縫即使出現(xiàn)在距離臨測(cè)點(diǎn)較近的位置，只要不在監(jiān)測(cè)點(diǎn)有效范圍以內(nèi)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)一般無明顯變化，或根據(jù)測(cè)得的變化數(shù)據(jù)不足以分析出結(jié)構(gòu)損傷狀況。
    近年來，以光纖傳感器為主的分布式監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)裂縫和損傷監(jiān)測(cè)得到較廣泛的應(yīng)用。此方法采用光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR)或光頻域反射技術(shù)(OFDR)采集布設(shè)在多點(diǎn)的傳感器信號(hào)，對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行大范圍的、連續(xù)、分布式監(jiān)測(cè)。如Beatriz等人利用分布式光纖傳感器監(jiān)測(cè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變，從而間接測(cè)量引起結(jié)構(gòu)開裂的變形情況；Yang等人利用分布式HCFRP傳感器監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁在破壞性實(shí)驗(yàn)過程中的應(yīng)
力分布和裂縫發(fā)生發(fā)展?fàn)顩r。這種監(jiān)測(cè)方式抗電磁干擾性能較好，監(jiān)測(cè)精度較高，但一般需要將傳感器預(yù)埋在結(jié)構(gòu)物內(nèi)部，實(shí)施工藝復(fù)雜，后期維護(hù)困難。

1 機(jī)敏網(wǎng)傳感器
1．1 設(shè)計(jì)思想
    為了解決混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的裂縫監(jiān)測(cè)問題，模擬富含神經(jīng)元及神經(jīng)脈絡(luò)的動(dòng)物肌膚對(duì)創(chuàng)傷的感知機(jī)理，提出了機(jī)敏網(wǎng)裂縫監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)，其基本思想是：使用大量相互獨(dú)立的機(jī)敏監(jiān)測(cè)線(單根神經(jīng))以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式布設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)表面，網(wǎng)絡(luò)中機(jī)敏線的交叉點(diǎn)形成神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)，中間處理器構(gòu)成傳遞神經(jīng)感應(yīng)信號(hào)的脊髓組織，由主控電腦構(gòu)成大腦中樞，實(shí)現(xiàn)對(duì)整套系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)區(qū)域的全方位監(jiān)測(cè)，如圖1所示。

1．2 監(jiān)測(cè)原理
    由于結(jié)構(gòu)體表面開裂時(shí)，局部應(yīng)變非常大，一旦粘貼機(jī)敏網(wǎng)的結(jié)構(gòu)區(qū)域出現(xiàn)裂縫，機(jī)敏網(wǎng)的傳感陣列也會(huì)相應(yīng)開裂，傳感信號(hào)便會(huì)隨之中斷，如圖2(a)所示。中間處理器實(shí)時(shí)發(fā)送和接收傳感信號(hào)，根據(jù)消失的信號(hào)判斷出機(jī)敏線開裂的位置和時(shí)間，由兩條開裂機(jī)敏線的交叉點(diǎn)組合出斷裂點(diǎn)坐標(biāo)，如圖2(b)所示。最后通過專門的算法由安裝于主控電腦的仿真軟件虛擬出實(shí)際裂縫的形狀。這樣，運(yùn)用機(jī)敏網(wǎng)裂縫監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)，用電路而非光路的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)表面初始裂縫發(fā)生發(fā)展的監(jiān)測(cè)。

1．3 構(gòu)造設(shè)計(jì)
    因?yàn)榻饘倨岚€具有良好的延展性，并且絕緣性能好，自身電阻小，導(dǎo)電性能優(yōu)良，有利于確保電信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，確定了采用漆包線作為機(jī)敏網(wǎng)的傳感材料。另外，考慮到機(jī)敏網(wǎng)要便于結(jié)構(gòu)集成和運(yùn)輸過程中的安全，因此在設(shè)計(jì)機(jī)敏網(wǎng)時(shí)，選擇自粘性透明啞膜作為基體材料，將導(dǎo)電漆包線布設(shè)成網(wǎng)絡(luò)陣列粘附于啞膜上制作成機(jī)敏布，如圖3所示。
    在混凝土結(jié)構(gòu)表面集成機(jī)敏網(wǎng)時(shí)，用特殊工藝將啞膜去除，最后只留下預(yù)制在基體材料上的機(jī)敏網(wǎng)陣列粘附于混凝土結(jié)構(gòu)表面。這樣，機(jī)敏網(wǎng)陣列好比遍布于生物體全身的神經(jīng)脈絡(luò)，緊緊粘貼于結(jié)構(gòu)體表面，用于實(shí)時(shí)感應(yīng)結(jié)構(gòu)體表面出現(xiàn)的裂縫。為實(shí)時(shí)采集機(jī)敏網(wǎng)通斷信號(hào)，設(shè)計(jì)了中間處理器對(duì)機(jī)敏網(wǎng)的每條漆包線進(jìn)行逐一循環(huán)檢測(cè)。中間處理器主要由六大部分組成：微處理器，多路選擇器，總線驅(qū)動(dòng)器，485總線驅(qū)動(dòng)器、防雷擊器件和開關(guān)電源模塊，如圖4所示。

2 裂縫寬度監(jiān)測(cè)研究
2．1 實(shí)驗(yàn)研究
    考慮到機(jī)敏網(wǎng)所使用的導(dǎo)電漆包線具有良好的延展性，不同線徑的漆包線隨著裂縫的發(fā)生而斷裂，監(jiān)測(cè)到的裂縫開裂寬度是一定的，對(duì)應(yīng)著一定的寬度測(cè)量范圍。因此在現(xiàn)有的機(jī)敏網(wǎng)上布設(shè)不同線徑的漆包線，根據(jù)其斷裂情況，就可以對(duì)裂縫寬度大小進(jìn)行判斷?；谶@種研究思路，利用WE-1000液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)和小型鋼筋混凝土試件，設(shè)計(jì)了三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)(見圖5)。在試件受壓出現(xiàn)裂縫時(shí)，通過裂縫觀測(cè)儀(型號(hào)：SW-LW-101)可以直觀地檢測(cè)出試件表面的裂縫發(fā)生發(fā)展情況，并且測(cè)量出機(jī)敏網(wǎng)斷裂時(shí)對(duì)應(yīng)裂縫寬度。
2．2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
    在裂縫寬度監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，先后針對(duì)線徑為0．05 mm，0．08 mm．0．1 mm和0．13 mm的漆包線分別進(jìn)行了研究，獲得了大量有用的寬度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如表1所示。

    由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，直徑為0．05 mm的漆包線對(duì)裂縫寬度的監(jiān)測(cè)最為敏感，非常細(xì)小的裂縫(0．02 mm)即可引起這種型號(hào)漆包線的斷裂，因此0．05 mm的漆包線適合于監(jiān)測(cè)初始裂縫的發(fā)生情況。另一方面，線徑為0．13 mm的漆包線由于延展性較強(qiáng)，一般的細(xì)小裂縫并不能夠使其斷裂，通常是裂縫發(fā)展到一定程度(0．2 mm以上)，這種型號(hào)的漆包線才會(huì)被裂縫繃斷。采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，掌握了各種漆包線開裂與裂縫寬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，只需要將不同線徑的漆包線布設(shè)計(jì)于機(jī)敏網(wǎng)當(dāng)中，即可對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫的開裂寬度進(jìn)行判斷。

3 工程應(yīng)用
3．1 工程概況
    馬桑溪長(zhǎng)江大橋是重慶市外環(huán)高速公路的一座重要公路橋梁，全長(zhǎng)1 104．23 m，主跨長(zhǎng)360 m，橋面寬度為30．6 m，分為獨(dú)立的左右兩幅橋。主橋上部結(jié)構(gòu)為179 m+360 m+179 m的三跨預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土雙塔雙索面斜拉橋，如圖6所示。

     2008年，在對(duì)該橋進(jìn)行人工定期檢測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)兩座索塔內(nèi)外表面存在較為明顯的裂縫，以豎向裂縫為主，隨后便進(jìn)行了維修加固處理。由于索塔結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面區(qū)域人力均難以觸及，進(jìn)行人工檢測(cè)極為不便，為及時(shí)掌握索塔的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，采用改進(jìn)后的機(jī)敏網(wǎng)傳感器，建立一套專門的裂縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在主橋的兩座索塔上，進(jìn)行長(zhǎng)期遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)。
3．2 傳感器安裝
    考慮到兩座索塔的建造結(jié)構(gòu)相同，相對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)區(qū)域的受力情況是一樣的，并且從兩座索塔已經(jīng)出現(xiàn)的裂縫情況來看，裂縫的發(fā)生發(fā)展也是相似的，因此在設(shè)計(jì)機(jī)敏網(wǎng)和中間處理器的布設(shè)方案時(shí)，只針對(duì)索塔結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫比較嚴(yán)重的區(qū)域布設(shè)機(jī)敏網(wǎng)，如圖7所示。機(jī)敏網(wǎng)以布設(shè)線徑0．05 mm的漆包線為主，可最大限度地感知索塔結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的細(xì)微裂縫。

3．3 監(jiān)測(cè)機(jī)制
    安裝調(diào)試完成后，機(jī)敏網(wǎng)傳感器24 h不間斷監(jiān)測(cè)索塔結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面裂縫的發(fā)生發(fā)展情況。一旦監(jiān)測(cè)區(qū)域出現(xiàn)裂縫并且達(dá)到一定寬度時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)變會(huì)造成相應(yīng)區(qū)域漆包線的斷裂，中間處理器會(huì)將漆包線的斷裂信息發(fā)送到設(shè)置在橋梁現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心的工控機(jī)中，再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將信息傳回到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，由服務(wù)器對(duì)機(jī)敏網(wǎng)的斷裂數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并及時(shí)更新機(jī)敏網(wǎng)的斷裂時(shí)間和狀態(tài)。如果斷裂的漆包線達(dá)到一定數(shù)量，則可以通過專門的軟件模擬重現(xiàn)裂縫的發(fā)生發(fā)展?fàn)顟B(tài)，給橋梁業(yè)主提供裂縫信息，及時(shí)采取相應(yīng)的維修和加同措施，如圖8所示。

4 應(yīng)用效果
    索塔上安裝的機(jī)敏網(wǎng)傳感器有效監(jiān)測(cè)3年時(shí)間，獲取了索塔結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面裂縫發(fā)生發(fā)展的大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。其中，2號(hào)索塔機(jī)敏網(wǎng)比較集中地出現(xiàn)了斷裂情況，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看(見表2)，2號(hào)索塔內(nèi)部機(jī)敏網(wǎng)斷裂超過50％的區(qū)域有8處。經(jīng)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)證實(shí)，可見裂縫寬度在0．06～0．2 mm之間，均為舊裂縫繼續(xù)擴(kuò)展產(chǎn)生，其中多處布設(shè)了機(jī)敏網(wǎng)傳感器的監(jiān)測(cè)區(qū)域裂縫擴(kuò)展情況較為明顯，如圖9所示。

5 結(jié)語
    對(duì)橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)意義重大，這是一個(gè)融合了多學(xué)科的研究領(lǐng)域，傳感技術(shù)在其中發(fā)揮了重要作用。針對(duì)斜拉橋索塔的裂縫監(jiān)測(cè)需要，在機(jī)敏網(wǎng)傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)表面裂縫寬度的方法。通過大量實(shí)驗(yàn)研究，掌握了漆包線斷裂與裂縫寬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)獲取的大量裂縫寬度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出不同線徑的漆包線能夠監(jiān)測(cè)到的不同寬度的裂縫。這一研究豐富了機(jī)敏網(wǎng)傳感器的功能。在工程應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁索塔裂縫發(fā)生發(fā)展及裂縫開裂程度(寬度)的長(zhǎng)期遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)，保障了橋梁結(jié)構(gòu)安全。