摘要：機敏網(wǎng)裂縫監(jiān)測傳感技術(shù)模擬人類神經(jīng)系統(tǒng)的感知機理，可對混凝土結(jié)構(gòu)表面裂縫進行有效監(jiān)測。針對斜拉橋索塔結(jié)構(gòu)不同寬度裂縫的監(jiān)測需要，基于機敏網(wǎng)傳感器，提出了一種對初始裂縫發(fā)生發(fā)展及寬度監(jiān)測的方法。大量實驗證明改進后的機敏網(wǎng)傳感器能夠監(jiān)測到混凝土結(jié)構(gòu)表面不同開裂程度的裂縫及其擴展情況，根據(jù)不同型號漆包線的斷裂對初始裂縫寬度進行判斷。應(yīng)用改進后的機敏網(wǎng)傳感器，在橋梁索塔監(jiān)測中及時發(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；機敏網(wǎng)傳感器；裂縫寬度監(jiān)測；橋梁索塔

0 引言
    由于橋梁在設(shè)計、建設(shè)和養(yǎng)護過程中的失誤，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，隨著服役時間的增長，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。運用現(xiàn)代傳感技術(shù)，人們針對橋梁結(jié)構(gòu)局部裂縫監(jiān)測提出了一些可行的方法。被廣泛采用的點監(jiān)測方法，即在橋梁結(jié)構(gòu)上的一些理論預(yù)測關(guān)鍵點位置布設(shè)如應(yīng)變、加速度等傳感器進行監(jiān)測，根據(jù)傳感信號判斷全橋或局部健康狀態(tài)。如果預(yù)測關(guān)鍵點比較準確，點監(jiān)測方法是一種可行的方法。但在實際橋梁結(jié)構(gòu)中，由于材料的非均勻性及計算誤差等原因，裂縫不一定出現(xiàn)在理論預(yù)測的關(guān)鍵點。根據(jù)Soh等人的研究，對于尺度較大的橋梁結(jié)構(gòu)，裂縫即使出現(xiàn)在距離臨測點較近的位置，只要不在監(jiān)測點有效范圍以內(nèi)，監(jiān)測點的測量數(shù)據(jù)一般無明顯變化，或根據(jù)測得的變化數(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)測方法進行結(jié)構(gòu)裂縫和損傷監(jiān)測得到較廣泛的應(yīng)用。此方法采用光時域反射技術(shù)(OTDR)或光頻域反射技術(shù)(OFDR)采集布設(shè)在多點的傳感器信號，對結(jié)構(gòu)物進行大范圍的、連續(xù)、分布式監(jiān)測。如Beatriz等人利用分布式光纖傳感器監(jiān)測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變，從而間接測量引起結(jié)構(gòu)開裂的變形情況；Yang等人利用分布式HCFRP傳感器監(jiān)測預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁在破壞性實驗過程中的應(yīng)
力分布和裂縫發(fā)生發(fā)展狀況。這種監(jiān)測方式抗電磁干擾性能較好，監(jiān)測精度較高，但一般需要將傳感器預(yù)埋在結(jié)構(gòu)物內(nèi)部，實施工藝復(fù)雜，后期維護困難。

1 機敏網(wǎng)傳感器
1．1 設(shè)計思想
    為了解決混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的裂縫監(jiān)測問題，模擬富含神經(jīng)元及神經(jīng)脈絡(luò)的動物肌膚對創(chuàng)傷的感知機理，提出了機敏網(wǎng)裂縫監(jiān)測傳感技術(shù)，其基本思想是：使用大量相互獨立的機敏監(jiān)測線(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)中機敏線的交叉點形成神經(jīng)元節(jié)點，中間處理器構(gòu)成傳遞神經(jīng)感應(yīng)信號的脊髓組織，由主控電腦構(gòu)成大腦中樞，實現(xiàn)對整套系統(tǒng)的實時控制和對整個結(jié)構(gòu)區(qū)域的全方位監(jiān)測，如圖1所示。

1．2 監(jiān)測原理
    由于結(jié)構(gòu)體表面開裂時，局部應(yīng)變非常大，一旦粘貼機敏網(wǎng)的結(jié)構(gòu)區(qū)域出現(xiàn)裂縫，機敏網(wǎng)的傳感陣列也會相應(yīng)開裂，傳感信號便會隨之中斷，如圖2(a)所示。中間處理器實時發(fā)送和接收傳感信號，根據(jù)消失的信號判斷出機敏線開裂的位置和時間，由兩條開裂機敏線的交叉點組合出斷裂點坐標，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際裂縫的形狀。這樣，運用機敏網(wǎng)裂縫監(jiān)測傳感技術(shù)，用電路而非光路的形式實現(xiàn)對混凝土結(jié)構(gòu)表面初始裂縫發(fā)生發(fā)展的監(jiān)測。

1．3 構(gòu)造設(shè)計
    因為金屬漆包線具有良好的延展性，并且絕緣性能好，自身電阻小，導(dǎo)電性能優(yōu)良，有利于確保電信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，經(jīng)過反復(fù)實驗，確定了采用漆包線作為機敏網(wǎng)的傳感材料。另外，考慮到機敏網(wǎng)要便于結(jié)構(gòu)集成和運輸過程中的安全，因此在設(shè)計機敏網(wǎng)時，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敏布，如圖3所示。
    在混凝土結(jié)構(gòu)表面集成機敏網(wǎng)時，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敏網(wǎng)陣列粘附于混凝土結(jié)構(gòu)表面。這樣，機敏網(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，用于實時感應(yīng)結(jié)構(gòu)體表面出現(xiàn)的裂縫。為實時采集機敏網(wǎng)通斷信號，設(shè)計了中間處理器對機敏網(wǎng)的每條漆包線進行逐一循環(huán)檢測。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)動器，485總線驅(qū)動器、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)測研究
2．1 實驗研究
    考慮到機敏網(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)測到的裂縫開裂寬度是一定的，對應(yīng)著一定的寬度測量范圍。因此在現(xiàn)有的機敏網(wǎng)上布設(shè)不同線徑的漆包線，根據(jù)其斷裂情況，就可以對裂縫寬度大小進行判斷?；谶@種研究思路，利用WE-1000液壓式萬能試驗機和小型鋼筋混凝土試件，設(shè)計了三點彎曲實驗(見圖5)。在試件受壓出現(xiàn)裂縫時，通過裂縫觀測儀(型號：SW-LW-101)可以直觀地檢測出試件表面的裂縫發(fā)生發(fā)展情況，并且測量出機敏網(wǎng)斷裂時對應(yīng)裂縫寬度。
2．2 實驗數(shù)據(jù)及分析
    在裂縫寬度監(jiān)測實驗中，先后針對線徑為0．05 mm，0．08 mm．0．1 mm和0．13 mm的漆包線分別進行了研究，獲得了大量有用的寬度監(jiān)測數(shù)據(jù)，如表1所示。

    由實驗數(shù)據(jù)可知，直徑為0．05 mm的漆包線對裂縫寬度的監(jiān)測最為敏感，非常細小的裂縫(0．02 mm)即可引起這種型號漆包線的斷裂，因此0．05 mm的漆包線適合于監(jiān)測初始裂縫的發(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，一般的細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)，這種型號的漆包線才會被裂縫繃斷。采用統(tǒng)計學(xué)的方法，掌握了各種漆包線開裂與裂縫寬度的對應(yīng)關(guān)系，只需要將不同線徑的漆包線布設(shè)計于機敏網(wǎng)當中，即可對結(jié)構(gòu)裂縫的開裂寬度進行判斷。

3 工程應(yīng)用
3．1 工程概況
    馬桑溪長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1 104．23 m，主跨長360 m，橋面寬度為30．6 m，分為獨立的左右兩幅橋。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，在對該橋進行人工定期檢測過程中，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，進行人工檢測極為不便，為及時掌握索塔的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，采用改進后的機敏網(wǎng)傳感器，建立一套專門的裂縫監(jiān)測系統(tǒng)安裝在主橋的兩座索塔上，進行長期遠程在線監(jiān)測。
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)計機敏網(wǎng)和中間處理器的布設(shè)方案時，只針對索塔結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫比較嚴重的區(qū)域布設(shè)機敏網(wǎng)，如圖7所示。機敏網(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)的細微裂縫。

3．3 監(jiān)測機制
    安裝調(diào)試完成后，機敏網(wǎng)傳感器24 h不間斷監(jiān)測索塔結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面裂縫的發(fā)生發(fā)展情況。一旦監(jiān)測區(qū)域出現(xiàn)裂縫并且達到一定寬度時，產(chǎn)生的應(yīng)變會造成相應(yīng)區(qū)域漆包線的斷裂，中間處理器會將漆包線的斷裂信息發(fā)送到設(shè)置在橋梁現(xiàn)場監(jiān)控中心的工控機中，再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將信息傳回到遠程監(jiān)控中心，由服務(wù)器對機敏網(wǎng)的斷裂數(shù)據(jù)進行分析并及時更新機敏網(wǎng)的斷裂時間和狀態(tài)。如果斷裂的漆包線達到一定數(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)展狀態(tài)，給橋梁業(yè)主提供裂縫信息，及時采取相應(yīng)的維修和加同措施，如圖8所示。

4 應(yīng)用效果
    索塔上安裝的機敏網(wǎng)傳感器有效監(jiān)測3年時間，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)測數(shù)據(jù)。其中，2號索塔機敏網(wǎng)比較集中地出現(xiàn)了斷裂情況，從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看(見表2)，2號索塔內(nèi)部機敏網(wǎng)斷裂超過50％的區(qū)域有8處。經(jīng)技術(shù)人員現(xiàn)場檢測證實，可見裂縫寬度在0．06～0．2 mm之間，均為舊裂縫繼續(xù)擴展產(chǎn)生，其中多處布設(shè)了機敏網(wǎng)傳感器的監(jiān)測區(qū)域裂縫擴展情況較為明顯，如圖9所示。

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