機敏網(wǎng)傳感器及其在橋梁裂縫監測中的應用

摘要：機敏網(wǎng)裂縫監測傳感技術(shù)模擬人類(lèi)神經(jīng)系統的感知機理，可對混凝土結構表面裂縫進(jìn)行有效監測。針對斜拉橋索塔結構不同寬度裂縫的監測需要，基于機敏網(wǎng)傳感器，提出了一種對初始裂縫發(fā)生發(fā)展及寬度監測的方法。大量實(shí)驗證明改進(jìn)后的機敏網(wǎng)傳感器能夠監測到混凝土結構表面不同開(kāi)裂程度的裂縫及其擴展情況，根據不同型號漆包線(xiàn)的斷裂對初始裂縫寬度進(jìn)行判斷。應用改進(jìn)后的機敏網(wǎng)傳感器，在橋梁索塔監測中及時(shí)發(fā)現了裂縫的發(fā)生發(fā)展情況和開(kāi)裂程度，保障了橋梁安全。
關(guān)鍵詞：裂縫監測；機敏網(wǎng)傳感器；裂縫寬度監測；橋梁索塔

0 引言
由于橋梁在設計、建設和養護過(guò)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(zhù)服役時(shí)間的增長(cháng)，橋梁結構的損傷逐漸暴露。結構表面裂縫的出現直觀(guān)地反映了橋梁結構的損傷程度，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。運用現代傳感技術(shù)，人們針對橋梁結構局部裂縫監測提出了一些可行的方法。被廣泛采用的點(diǎn)監測方法，即在橋梁結構上的一些理論預測關(guān)鍵點(diǎn)位置布設如應變、加速度等傳感器進(jìn)行監測，根據傳感信號判斷全橋或局部健康狀態(tài)。如果預測關(guān)鍵點(diǎn)比較準確，點(diǎn)監測方法是一種可行的方法。但在實(shí)際橋梁結構中，由于材料的非均勻性及計算誤差等原因，裂縫不一定出現在理論預測的關(guān)鍵點(diǎn)。根據Soh等人的研究，對于尺度較大的橋梁結構，裂縫即使出現在距離臨測點(diǎn)較近的位置，只要不在監測點(diǎn)有效范圍以?xún)?，監測點(diǎn)的測量數據一般無(wú)明顯變化，或根據測得的變化數據不足以分析出結構損傷狀況。
近年來(lái)，以光纖傳感器為主的分布式監測方法進(jìn)行結構裂縫和損傷監測得到較廣泛的應用。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)采集布設在多點(diǎn)的傳感器信號，對結構物進(jìn)行大范圍的、連續、分布式監測。如Beatriz等人利用分布式光纖傳感器監測鋼筋混凝土結構應變，從而間接測量引起結構開(kāi)裂的變形情況；Yang等人利用分布式HCFRP傳感器監測預應力混凝土箱梁在破壞性實(shí)驗過(guò)程中的應
力分布和裂縫發(fā)生發(fā)展狀況。這種監測方式抗電磁干擾性能較好，監測精度較高，但一般需要將傳感器預埋在結構物內部，實(shí)施工藝復雜，后期維護困難。

1 機敏網(wǎng)傳感器
1．1 設計思想
為了解決混凝土橋梁結構的裂縫監測問(wèn)題，模擬富含神經(jīng)元及神經(jīng)脈絡(luò )的動(dòng)物肌膚對創(chuàng )傷的感知機理，提出了機敏網(wǎng)裂縫監測傳感技術(shù)，其基本思想是：使用大量相互獨立的機敏監測線(xiàn)(單根神經(jīng))以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的方式布設在混凝土結構表面，網(wǎng)絡(luò )中機敏線(xiàn)的交叉點(diǎn)形成神經(jīng)元節點(diǎn)，中間處理器構成傳遞神經(jīng)感應信號的脊髓組織，由主控電腦構成大腦中樞，實(shí)現對整套系統的實(shí)時(shí)控制和對整個(gè)結構區域的全方位監測，如圖1所示。

1．2 監測原理
由于結構體表面開(kāi)裂時(shí)，局部應變非常大，一旦粘貼機敏網(wǎng)的結構區域出現裂縫，機敏網(wǎng)的傳感陣列也會(huì )相應開(kāi)裂，傳感信號便會(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，根據消失的信號判斷出機敏線(xiàn)開(kāi)裂的位置和時(shí)間，由兩條開(kāi)裂機敏線(xiàn)的交叉點(diǎn)組合出斷裂點(diǎn)坐標，如圖2(b)所示。最后通過(guò)專(zhuān)門(mén)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，運用機敏網(wǎng)裂縫監測傳感技術(shù)，用電路而非光路的形式實(shí)現對混凝土結構表面初始裂縫發(fā)生發(fā)展的監測。