城市橋梁裂縫監(jiān)測(cè)與工程應(yīng)用分析
2015-06-18
一、前言
隨著社會(huì)的發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)水平的不斷提高，城市橋梁的結(jié)構(gòu)體系以及截面形式都在無(wú)時(shí)無(wú)刻的變化著。然而，城市橋梁裂縫問(wèn)題是當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)中最為常見(jiàn)的病害之一，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)做出反應(yīng)，這將對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)安全無(wú)法保障而還將帶來(lái)一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。
二、橋梁建筑中混凝土出現(xiàn)裂縫的原因
1、沉縮使混凝土產(chǎn)生裂縫
沉縮造成的混凝土裂縫是較為常見(jiàn)的，造成這種現(xiàn)象的主要原因是在具體施工中沉實(shí)的力度和時(shí)間不足，也可能是由于骨料產(chǎn)生了下沉現(xiàn)象，沒(méi)有及時(shí)的對(duì)表面進(jìn)行覆蓋操作。水分消耗過(guò)快，所以強(qiáng)度沒(méi)有達(dá)到要求，在后期的某些牽引力的作用下，差生了裂縫。
2、混凝土受氣溫變化的影響產(chǎn)生裂縫
混凝土在施工完成后，自身也有它的溫度。這個(gè)溫度是由混凝土進(jìn)行澆筑時(shí)候的溫度、水泥的溫度以及自身散熱的特點(diǎn)共同決定的。伴隨著溫度的升高，澆筑溫度也會(huì)隨之升高，容易產(chǎn)生裂縫。反之，如果外界溫度很低，那么混凝土內(nèi)部溫度較高，兩者的熱傳遞，和熱力的影響也會(huì)出現(xiàn)裂縫。
3、混凝土的收縮
混凝土硬化的過(guò)程中，體積會(huì)有所減小。這也影響了自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。如果在體積縮小的過(guò)程中收到某些外部部件的約束，那么也容易產(chǎn)生裂縫。
4、其它裂縫產(chǎn)生原因
?。?）荷載引起的裂縫
任何材料，任何工程都有自身的負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。如果在橋梁建筑中，過(guò)度在橋梁上放置建筑工具、設(shè)備和材料。造成負(fù)荷過(guò)重，有可能造成裂縫的發(fā)生。同時(shí)施工次序不標(biāo)準(zhǔn)，造成橋梁過(guò)早承受負(fù)荷，也會(huì)產(chǎn)生裂縫。對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不了解，粗暴施工也會(huì)造成裂縫的產(chǎn)生。
?。?）材料質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)，造成裂縫
橋梁對(duì)各種材料有細(xì)致的要求，如果在材料選取中偷工減料，或者使用材質(zhì)低劣的不合格產(chǎn)品，無(wú)疑對(duì)橋梁的工程質(zhì)量會(huì)造成惡劣的影響。同時(shí)不同材料在按比例額進(jìn)行搭配的時(shí)候，如果搭配的比例不科學(xué)，隨意搭配，也會(huì)造成質(zhì)量不合格，出現(xiàn)橋梁裂縫。
（3）施工工藝質(zhì)量引起的裂縫
在混凝土結(jié)構(gòu)澆筑、構(gòu)件制作、起模、運(yùn)輸、堆放、拼裝及吊裝過(guò)程中，若施工工藝不合理、施工質(zhì)量低劣，容易產(chǎn)生縱向的、橫向等各種裂縫。首先混凝土保護(hù)層過(guò)厚，或亂踩已綁扎的上層鋼筋，使承受負(fù)彎矩的受力筋保護(hù)層加厚，導(dǎo)致構(gòu)件的有效高度減小，形成與受力鋼筋垂直方向的裂縫。其次混凝土振搗不密實(shí)、不均勻，出現(xiàn)蜂窩、麻面、空洞，導(dǎo)致鋼筋銹蝕或其他荷載裂縫的起源點(diǎn)。再次混凝土澆筑過(guò)快，其流動(dòng)性較低，在硬化前因混凝土沉實(shí)不足，硬化后沉實(shí)過(guò)大，容易在澆筑數(shù)小時(shí)后發(fā)生裂縫，即塑性收縮裂縫。最后用泵送混凝土施工時(shí)，為保證混凝土的流動(dòng)性增加水和水泥用量，或因其他原因加大了水灰比，導(dǎo)致混凝土凝結(jié)硬化時(shí)收縮量增加，使得混凝土體積上出現(xiàn)不規(guī)則裂縫。
三、橋梁建筑中裂縫的防治辦法
1、控制橋梁建筑材料的質(zhì)量
嚴(yán)格把好材料質(zhì)量審核關(guān)。把緊采購(gòu)大門(mén)。對(duì)于劣質(zhì)產(chǎn)品或者低價(jià)替代產(chǎn)品，在實(shí)際生產(chǎn)中一定要杜絕使用。剛采購(gòu)的材料要進(jìn)行質(zhì)量檢查，對(duì)于進(jìn)入建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的材料也要通過(guò)，定期抽樣抽查的方式，掌握材料的實(shí)時(shí)情況。同時(shí)對(duì)于材料的配比，要按照科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格進(jìn)行，對(duì)于不負(fù)責(zé)任的隨意配比，造成的質(zhì)量問(wèn)題，要追求操作人員的責(zé)任。
2、觀察溫度情況，在合理溫度下進(jìn)行操作
在骨料的使用中，要注意水泥不要使用過(guò)多。同時(shí)利用水降低澆筑則甚的溫度。在實(shí)際操作中要注意季節(jié)性。比如在夏季，溫度較高，那么要避免高溫進(jìn)行。在冬季，要注意保溫，防止形成薄壁結(jié)構(gòu)，造成變形出現(xiàn)裂縫。
3、加強(qiáng)宣傳，提高安全意識(shí)
橋梁建筑中安全是第一要?jiǎng)?wù)。不能有絲毫的懈怠。對(duì)質(zhì)量的不認(rèn)真，就是對(duì)工程的不認(rèn)真，對(duì)生命的不認(rèn)真。利用宣傳的力量，警醒每個(gè)工作人員，提高責(zé)任心，上進(jìn)心。把安全建筑放在首位，嚴(yán)格施工，防患于未然。
4、加強(qiáng)砼的養(yǎng)護(hù)工作
目前我國(guó)的橋梁工程多為砼結(jié)構(gòu)，質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)就是硅的強(qiáng)度。而強(qiáng)度的高低除涉及設(shè)計(jì)施工外，主要取決于后期的養(yǎng)護(hù)工作。所以，硅養(yǎng)護(hù)工作是保證鹼強(qiáng)度的關(guān)鍵工序，要加強(qiáng)砼構(gòu)件的養(yǎng)護(hù)，以保證鹼的強(qiáng)度。
5、工程監(jiān)理工作，把好質(zhì)量檢測(cè)最后關(guān)口
工程監(jiān)理，在橋梁建筑中整體監(jiān)督橋梁建筑工程。從每個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)質(zhì)量保證點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試檢查。最重要的是在工程完成后，要整體的對(duì)橋梁建筑作出最后的安全評(píng)估。所以要加大監(jiān)督力度。對(duì)于任何影響橋梁質(zhì)量的裂縫都不能放過(guò)。要及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)反饋，及時(shí)防治。
四、機(jī)敏網(wǎng)傳感器
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)在距離監(jiān)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(wú)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(lái)，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(kāi)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(guò)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、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(wèn)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)。
2、監(jiān)測(cè)原理
由于結(jié)構(gòu)體表面開(kāi)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(kāi)裂，傳感信號(hào)便會(huì)隨之中斷。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(kāi)裂的位置和時(shí)間，由兩條開(kāi)裂機(jī)敏線的交叉點(diǎn)組合出斷裂點(diǎn)坐標(biāo)。最后通過(guò)專門(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(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)。
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(guò)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(guò)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。
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，總線驅(qū)動(dòng)器、防雷擊器件和開(kāi)關(guān)電源模塊。
五、裂縫寬度監(jiān)測(cè)研究
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(kāi)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(wàn)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)。在試件受壓出現(xiàn)裂縫時(shí)，通過(guò)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、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
0.05mm，0.08mm，0.1mm和0.13mm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)，如圖1所示。
圖1：裂縫寬度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（單位：mm）
由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，直徑為0.05mm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（0.02mm）即可引起這種型號(hào)漆包線的斷裂，因此0.05mm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0.13mm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（0.2mm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(kāi)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(kāi)裂寬度進(jìn)行判斷。
六、工程應(yīng)用
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)1104.23m，主跨長(zhǎng)360m，橋面寬度為30.6m，分為獨(dú)立的左右兩幅橋（見(jiàn)圖2）。主橋上部結(jié)構(gòu)為179m+360m+179m的三跨預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土雙塔雙索面斜拉橋。
圖2：馬桑溪長(zhǎng)江大橋
2008年，在對(duì)該橋進(jìn)行人工定期檢測(cè)過(guò)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(mén)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)。
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(lái)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)。機(jī)敏網(wǎng)以布設(shè)線徑0.05mm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、監(jiān)測(cè)機(jī)制
安裝調(diào)試完成后，機(jī)敏網(wǎng)傳感器24h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(guò)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(guò)專門(mén)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)的維修和加固措施，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(lái)看（見(jiàn)圖3），
2號(hào)索塔內(nèi)部機(jī)敏網(wǎng)斷裂超過(guò)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(jiàn)裂縫寬度在0.06～0.2mm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。
圖3：2號(hào)索塔內(nèi)塔裂縫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)
七、結(jié)語(yǔ)
綜上所述，針對(duì)橋梁裂縫的問(wèn)題一定要加以重視，在工作中加強(qiáng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)，借助與高新科技，事實(shí)證明：采用傳感技術(shù)可以對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)有更為深入還了解。另外，橋梁監(jiān)測(cè)工作在工程應(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(kāi)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。
