机敏网传感器及其在桥梁裂缝监测中的应用

摘要：机敏网裂缝监测传感技术模拟人类神经系统的感知机理，可对混凝土结构表面裂缝进行有效监测。针对斜拉桥索塔结构不同宽度裂缝的监测需要，基于机敏网传感器，提出了一种对初始裂缝发生发展及宽度监测的方法。大量实验证明改进后的机敏网传感器能够监测到混凝土结构表面不同开裂程度的裂缝及其扩展情况，根据不同型号漆包线的断裂对初始裂缝宽度进行判断。应用改进后的机敏网传感器，在桥梁索塔监测中及时发现了裂缝的发生发展情况和开裂程度，保障了桥梁安全。
关键词：裂缝监测；机敏网传感器；裂缝宽度监测；桥梁索塔

0 引言
    由于桥梁在设计、建设和养护过程中的失误，工程材料的自然缺陷，加之外界自然环境变化，日益增加的交通量等因素，随着服役时间的增长，桥梁结构的损伤逐渐暴露。结构表面裂缝的出现直观地反映了桥梁结构的损伤程度，如不及时控制裂缝的发生和发展，将直接威胁到桥梁的使用安全。运用现代传感技术，人们针对桥梁结构局部裂缝监测提出了一些可行的方法。被广泛采用的点监测方法，即在桥梁结构上的一些理论预测关键点位置布设如应变、加速度等传感器进行监测，根据传感信号判断全桥或局部健康状态。如果预测关键点比较准确，点监测方法是一种可行的方法。但在实际桥梁结构中，由于材料的非均匀性及计算误差等原因，裂缝不一定出现在理论预测的关键点。根据Soh等人的研究，对于尺度较大的桥梁结构，裂缝即使出现在距离临测点较近的位置，只要不在监测点有效范围以内，监测点的测量数据一般无明显变化，或根据测得的变化数据不足以分析出结构损伤状况。
    近年来，以光纤传感器为主的分布式监测方法进行结构裂缝和损伤监测得到较广泛的应用。此方法采用光时域反射技术(OTDR)或光频域反射技术(OFDR)采集布设在多点的传感器信号，对结构物进行大范围的、连续、分布式监测。如Beatriz等人利用分布式光纤传感器监测钢筋混凝土结构应变，从而间接测量引起结构开裂的变形情况；Yang等人利用分布式HCFRP传感器监测预应力混凝土箱梁在破坏性实验过程中的应
力分布和裂缝发生发展状况。这种监测方式抗电磁干扰性能较好，监测精度较高，但一般需要将传感器预埋在结构物内部，实施工艺复杂，后期维护困难。

1 机敏网传感器
1．1 设计思想
    为了解决混凝土桥梁结构的裂缝监测问题，模拟富含神经元及神经脉络的动物肌肤对创伤的感知机理，提出了机敏网裂缝监测传感技术，其基本思想是：使用大量相互独立的机敏监测线(单根神经)以神经网络的方式布设在混凝土结构表面，网络中机敏线的交叉点形成神经元节点，中间处理器构成传递神经感应信号的脊髓组织，由主控电脑构成大脑中枢，实现对整套系统的实时控制和对整个结构区域的全方位监测，如图1所示。

1．2 监测原理
    由于结构体表面开裂时，局部应变非常大，一旦粘贴机敏网的结构区域出现裂缝，机敏网的传感阵列也会相应开裂，传感信号便会随之中断，如图2(a)所示。中间处理器实时发送和接收传感信号，根据消失的信号判断出机敏线开裂的位置和时间，由两条开裂机敏线的交叉点组合出断裂点坐标，如图2(b)所示。最后通过专门的算法由安装于主控电脑的仿真软件虚拟出实际裂缝的形状。这样，运用机敏网裂缝监测传感技术，用电路而非光路的形式实现对混凝土结构表面初始裂缝发生发展的监测。

1．3 构造设计
    因为金属漆包线具有良好的延展性，并且绝缘性能好，自身电阻小，导电性能优良，有利于确保电信号传输的稳定性，经过反复实验，确定了采用漆包线作为机敏网的传感材料。另外，考虑到机敏网要便于结构集成和运输过程中的安全，因此在设计机敏网时，选择自粘性透明哑膜作为基体材料，将导电漆包线布设成网络阵列粘附于哑膜上制作成机敏布，如图3所示。
    在混凝土结构表面集成机敏网时，用特殊工艺将哑膜去除，最后只留下预制在基体材料上的机敏网阵列粘附于混凝土结构表面。这样，机敏网阵列好比遍布于生物体全身的神经脉络，紧紧粘贴于结构体表面，用于实时感应结构体表面出现的裂缝。为实时采集机敏网通断信号，设计了中间处理器对机敏网的每条漆包线进行逐一循环检测。中间处理器主要由六大部分组成：微处理器，多路选择器，总线驱动器，485总线驱动器、防雷击器件和开关电源模块，如图4所示。

2 裂缝宽度监测研究
2．1 实验研究
    考虑到机敏网所使用的导电漆包线具有良好的延展性，不同线径的漆包线随着裂缝的发生而断裂，监测到的裂缝开裂宽度是一定的，对应着一定的宽度测量范围。因此在现有的机敏网上布设不同线径的漆包线，根据其断裂情况，就可以对裂缝宽度大小进行判断。基于这种研究思路，利用WE-1000液压式万能试验机和小型钢筋混凝土试件，设计了三点弯曲实验(见图5)。在试件受压出现裂缝时，通过裂缝观测仪(型号：SW-LW-101)可以直观地检测出试件表面的裂缝发生发展情况，并且测量出机敏网断裂时对应裂缝宽度。
2．2 实验数据及分析
    在裂缝宽度监测实验中，先后针对线径为0．05 mm，0．08 mm．0．1 mm和0．13 mm的漆包线分别进行了研究，获得了大量有用的宽度监测数据，如表1所示。

    由实验数据可知，直径为0．05 mm的漆包线对裂缝宽度的监测最为敏感，非常细小的裂缝(0．02 mm)即可引起这种型号漆包线的断裂，因此0．05 mm的漆包线适合于监测初始裂缝的发生情况。另一方面，线径为0．13 mm的漆包线由于延展性较强，一般的细小裂缝并不能够使其断裂，通常是裂缝发展到一定程度(0．2 mm以上)，这种型号的漆包线才会被裂缝绷断。采用统计学的方法，掌握了各种漆包线开裂与裂缝宽度的对应关系，只需要将不同线径的漆包线布设计于机敏网当中，即可对结构裂缝的开裂宽度进行判断。

3 工程应用
3．1 工程概况
    马桑溪长江大桥是重庆市外环高速公路的一座重要公路桥梁，全长1 104．23 m，主跨长360 m，桥面宽度为30．6 m，分为独立的左右两幅桥。主桥上部结构为179 m+360 m+179 m的三跨预应力钢筋混凝土双塔双索面斜拉桥，如图6所示。

     2008年，在对该桥进行人工定期检测过程中，发现两座索塔内外表面存在较为明显的裂缝，以竖向裂缝为主，随后便进行了维修加固处理。由于索塔结构内外表面区域人力均难以触及，进行人工检测极为不便，为及时掌握索塔的结构健康状态，采用改进后的机敏网传感器，建立一套专门的裂缝监测系统安装在主桥的两座索塔上，进行长期远程在线监测。
3．2 传感器安装
    考虑到两座索塔的建造结构相同，相对应结构区域的受力情况是一样的，并且从两座索塔已经出现的裂缝情况来看，裂缝的发生发展也是相似的，因此在设计机敏网和中间处理器的布设方案时，只针对索塔结构出现裂缝比较严重的区域布设机敏网，如图7所示。机敏网以布设线径0．05 mm的漆包线为主，可最大限度地感知索塔结构出现的细微裂缝。

3．3 监测机制
    安装调试完成后，机敏网传感器24 h不间断监测索塔结构内外表面裂缝的发生发展情况。一旦监测区域出现裂缝并且达到一定宽度时，产生的应变会造成相应区域漆包线的断裂，中间处理器会将漆包线的断裂信息发送到设置在桥梁现场监控中心的工控机中，再通过GPRS网络将信息传回到远程监控中心，由服务器对机敏网的断裂数据进行分析并及时更新机敏网的断裂时间和状态。如果断裂的漆包线达到一定数量，则可以通过专门的软件模拟重现裂缝的发生发展状态，给桥梁业主提供裂缝信息，及时采取相应的维修和加同措施，如图8所示。

4 应用效果
    索塔上安装的机敏网传感器有效监测3年时间，获取了索塔结构内外表面裂缝发生发展的大量监测数据。其中，2号索塔机敏网比较集中地出现了断裂情况，从监测数据来看(见表2)，2号索塔内部机敏网断裂超过50％的区域有8处。经技术人员现场检测证实，可见裂缝宽度在0．06～0．2 mm之间，均为旧裂缝继续扩展产生，其中多处布设了机敏网传感器的监测区域裂缝扩展情况较为明显，如图9所示。

5 结语
    对桥梁进行结构健康监测意义重大，这是一个融合了多学科的研究领域，传感技术在其中发挥了重要作用。针对斜拉桥索塔的裂缝监测需要，在机敏网传感技术的基础上，提出了一种监测混凝土结构表面裂缝宽度的方法。通过大量实验研究，掌握了漆包线断裂与裂缝宽度的对应关系，根据获取的大量裂缝宽度监测数据统计出不同线径的漆包线能够监测到的不同宽度的裂缝。这一研究丰富了机敏网传感器的功能。在工程应用中，实现了对桥梁索塔裂缝发生发展及裂缝开裂程度(宽度)的长期远程在线监测，保障了桥梁结构安全。