袁微微，張紅雷

（1.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京211100；2.江蘇華通工程檢測(cè)有限公司，江蘇 南京211100）

0 引言

裂縫是混凝土橋梁最常見的一種病害，裂縫的出現(xiàn)不僅有損橋梁美觀，減小截面的受力面積，同時(shí)還會(huì)影響結(jié)構(gòu)的抗?jié)B透性能，導(dǎo)致水分及有害物質(zhì)滲入，誘發(fā)鋼筋銹蝕或加速混凝土的自然老化，從而損害橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，對(duì)橋梁安全性能產(chǎn)生不利影響?！豆蜂摻罨炷良邦A(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.4.2 條規(guī)定了鋼筋混凝土構(gòu)件和B 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的最大裂縫寬度限值[1]，將裂縫寬度作為裂縫形態(tài)（寬度、長(zhǎng)度、走向）中最重要的一個(gè)參數(shù)。因此，對(duì)橋梁裂縫寬度有必要進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)和跟蹤監(jiān)測(cè)。

傳統(tǒng)的裂縫寬度檢測(cè)主要通過人工接觸式的測(cè)量方法進(jìn)行，這種方法對(duì)于高速公路跨路和跨航道的橋梁無論是在人力、物力還是時(shí)間上都有很大的消耗，并且測(cè)量結(jié)果常常伴隨有人工誤差。依靠人工不定期的檢查，往往不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂縫，且從機(jī)理上不具備大范圍與長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)的功能。

在已出現(xiàn)的橋梁典型裂縫上安裝振弦式傳感器或光纖光柵傳感器可以對(duì)裂縫寬度進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，對(duì)裂縫的發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行及時(shí)掌握，本文中的兩座橋梁即采用此類方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

為了能夠及時(shí)捕捉裂縫的出現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)大范圍、分布式跟蹤監(jiān)測(cè)，國(guó)內(nèi)外開發(fā)研究了多種形式的光纖傳感器[2]以及特殊材料導(dǎo)電膜紅外熱成像監(jiān)測(cè)技術(shù)等。同時(shí)，隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，逐漸開發(fā)了基于圖像分析技術(shù)的裂縫寬度測(cè)量與檢測(cè)方法[3-4]。

1 工程概況

鹽河特大橋橋梁總長(zhǎng)870m。橋梁主橋上部結(jié)構(gòu)為（42+65+42）m 變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，如圖1 所示。新通揚(yáng)運(yùn)河大橋，全長(zhǎng)1 125.97m，主線跨328 國(guó)道橋梁上部結(jié)構(gòu)為23（27）m+36m+27（23）m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁。

圖1 鹽河特大橋主橋立面布置圖（單位：cm）

在2011 年橋梁定期檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)：鹽河特大橋主橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的底板新增2條橫向裂縫、23條縱向裂縫和5條斜向裂縫；新通揚(yáng)運(yùn)河大橋跨328國(guó)道聯(lián)存在多處病害，主要為底板的縱橫向裂紋、腹板的斜、縱向裂紋等。2012 年，檢測(cè)單位在兩座橋梁各選擇4 條典型裂縫進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。為保證效果，同時(shí)采用多種方法和設(shè)備對(duì)裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便監(jiān)測(cè)結(jié)果相互校核。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)裂縫的發(fā)展情況作出分析，同時(shí)對(duì)實(shí)際應(yīng)用的多種裂縫監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行適應(yīng)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，并選擇一種合適的方法應(yīng)用于今后橋梁裂縫寬度的監(jiān)測(cè)。三種裂縫監(jiān)測(cè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)布置如圖2所示。

圖2 三種裂縫監(jiān)測(cè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)布置圖

2 裂縫寬度主要監(jiān)測(cè)方法

2.1 振弦式表面型裂縫計(jì)

VWD型振弦式測(cè)縫計(jì)（相關(guān)參數(shù)見表1）適用于長(zhǎng)期布設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)物或其他材料結(jié)構(gòu)物內(nèi)或表面上，測(cè)量結(jié)構(gòu)物伸縮縫或周邊縫的開合度（變形），并可同步測(cè)量埋設(shè)點(diǎn)的溫度。當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)物發(fā)生變形時(shí)將引起位移計(jì)的位移變化，經(jīng)萬向連軸節(jié)傳遞給二級(jí)機(jī)械負(fù)放大機(jī)構(gòu)，經(jīng)負(fù)放大后的位移傳遞給振弦轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力變化，從而改變振弦的振動(dòng)頻率。電磁線圈激振振弦并測(cè)量其振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)經(jīng)由電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測(cè)出被測(cè)裂縫的寬度。

表1 產(chǎn)品基本技術(shù)參數(shù)

2.2 FBG分布式光纖傳感器

FBG（Fiber Bragg Grating）是用紫外全息曝光法在普通光纖上形成的一種稱為Bragg Grating（布拉格光柵）且纖芯折射率呈周期性變化的光柵。

FBG光纖傳感器是基于波長(zhǎng)變化原理進(jìn)行變形測(cè)量的，如圖3 所示，當(dāng)一個(gè)寬帶光源照射FBG時(shí)，一系列由FBG 纖芯折射率周期調(diào)制所形成的反射面反射回來的光將相互干涉，只有滿足布拉格定律的光才可以相互增強(qiáng)。在光柵處施加外力，會(huì)導(dǎo)致光柵的間隔發(fā)生變化，反射光的中心波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。中心波長(zhǎng)和布拉格光柵周期以及纖芯有效折射率有關(guān)，因而通過測(cè)量布拉格中心波長(zhǎng)的變化即可測(cè)出應(yīng)變和溫度擾動(dòng)。通過應(yīng)變和標(biāo)距長(zhǎng)度，可以得到裂縫寬度。外界溫度或應(yīng)力的變化會(huì)使FBG 反射光的中心波長(zhǎng)值發(fā)生漂移，因此需要設(shè)置參考點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償。

圖3 FBG傳感示意圖

FBG光纖傳感器可根據(jù)需要任意布置于裂縫表面，通過光纖光柵解調(diào)儀SM130，可以實(shí)現(xiàn)所測(cè)通道全部傳感器以1kHz 頻率同時(shí)高速掃描，每個(gè)通道可實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器串聯(lián)檢測(cè)，分辨率小于1pm，可重復(fù)性1pm。不受環(huán)境電磁場(chǎng)干擾，測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，可以通過無線傳感技術(shù)和Internet 進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和在線遠(yuǎn)程長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

本次監(jiān)測(cè)采用FBG—5100 型光纖光柵裂縫計(jì)（見表2），它由光纖光柵應(yīng)變計(jì)、萬向節(jié)等部件組成，傳感器完全密封，通過一定的應(yīng)變?cè)雒艏夹g(shù)提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度和精度[5]。

表2 FBG—5100技術(shù)指標(biāo)

2.3 DP—PTS—F50智能裂縫監(jiān)測(cè)儀

DP—PTS—F50 智能裂縫監(jiān)測(cè)儀用于長(zhǎng)期定點(diǎn)監(jiān)測(cè)并記錄在高空以及不易接觸結(jié)構(gòu)位置上的重點(diǎn)裂縫變化情況。該監(jiān)測(cè)儀能自主地連續(xù)測(cè)量并記錄裂縫在一段時(shí)間內(nèi)的變化過程以及外界環(huán)境溫度的變化值，從而清晰地反映該裂縫的變化趨勢(shì)。位移傳感器可一次安裝到裂縫上，其測(cè)量/記錄部分采用電纜連接到接近地面或易于達(dá)到的位置，便于日后的參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)下載及電池更換等人工操作。內(nèi)置的儲(chǔ)存器可長(zhǎng)期記錄該裂縫的寬度變化數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)USB 接口方便直接下載記錄的數(shù)據(jù)到手持式PDA 或電腦等終端上。

該儀器的測(cè)量原理為：以第一點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)為參考值A(chǔ)0，其對(duì)應(yīng)的裂縫寬度為裂縫初始寬度K0；以后測(cè)得的數(shù)據(jù)為An，則裂縫寬度為Kn=K0An/A0。

表3 DP—PTS—F50基本技術(shù)參數(shù)

2.4 導(dǎo)電涂料

導(dǎo)電涂料是由有機(jī)高分子涂料固化成膜形成的。根據(jù)研究，導(dǎo)電通路的形成主要是由宏觀上的“滲流作用”和微觀上的“隧道效應(yīng)”產(chǎn)生。雖然不同種類的導(dǎo)電粒子有不同的形狀：纖維狀、片狀、球狀、鏈狀等，但是導(dǎo)電原理相似。為了便于分析，可以近似地將所有導(dǎo)電粒子簡(jiǎn)化為球體。導(dǎo)電粒子形成導(dǎo)電通路主要有三種狀態(tài)，如圖4所示[6]。

圖4 導(dǎo)電膜導(dǎo)電模型示意圖

利用導(dǎo)電涂料可對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)、發(fā)展進(jìn)行全過程跟蹤監(jiān)測(cè)，它能夠敏銳地察覺所測(cè)范圍內(nèi)任何部位裂縫的出現(xiàn)與擴(kuò)展。從微觀上而言，導(dǎo)電涂料的導(dǎo)電性能取決于導(dǎo)電顆粒間的距離，一旦距離大于某個(gè)閾值，電阻會(huì)發(fā)生躍變。利用具備一定測(cè)量精度的電阻測(cè)量?jī)x器作為信號(hào)采集儀器即可監(jiān)測(cè)裂縫寬度的變化。

3 主要監(jiān)測(cè)結(jié)果

2012年8月13日～18日采用橋梁檢測(cè)車等機(jī)械設(shè)備在構(gòu)件表面進(jìn)行多種裂縫監(jiān)測(cè)儀器的布置。本次裂縫監(jiān)測(cè)長(zhǎng)期采用了振弦式表面型裂縫計(jì)、FBG 分布式光纖傳感器以及DP—PTS—F50 智能裂縫監(jiān)測(cè)儀三種方法，導(dǎo)電涂料方法計(jì)劃在今年開始實(shí)施。2012 年9 月13 日進(jìn)行第一次數(shù)據(jù)采集（作為標(biāo)準(zhǔn)值），截止到2013年6月16日共采集了6次數(shù)據(jù)。下面將對(duì)其中一座橋梁（鹽河特大橋）的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 FBG分布式光纖傳感器

采用該儀器的監(jiān)測(cè)結(jié)果如表4和圖5所示。

表4 連續(xù)箱梁裂縫寬度表（傳感器：FBG）

圖5 連續(xù)箱梁裂縫寬度變化圖（傳感器：FBG）

從表4 和圖5 可以看出，隨著溫度的變化，全部4條裂縫都表現(xiàn)出微量的增大然后再減小，這說明裂縫沒有持續(xù)增大，主要是由于溫度的變化而引起裂縫寬度的小幅變化。

3.2 振弦式表面型裂縫計(jì)

采用該儀器的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 連續(xù)箱梁裂縫寬度變化圖（傳感器：VWD-20）

從圖6 可以看出，VWD—20 測(cè)量的裂縫寬度變化趨勢(shì)與FBG 測(cè)得的裂縫寬度變化趨勢(shì)基本吻合。

3.3 DP—PTS—F50智能裂縫監(jiān)測(cè)儀

DP—PTSD—F50 智能裂縫監(jiān)測(cè)儀在使用過程中發(fā)現(xiàn)尚不夠成熟，在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)發(fā)生多次故障，導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)不完整，部分采集數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 連續(xù)箱梁裂縫寬度表（傳感器：FBG）

4 結(jié)論

基于長(zhǎng)標(biāo)距分布式的FBG 傳感器和VWD—20表面安裝型裂縫計(jì)在實(shí)橋裂縫寬度監(jiān)測(cè)中數(shù)據(jù)穩(wěn)定性均較好，能夠準(zhǔn)確反應(yīng)其變化規(guī)律。綜合考慮裂縫寬度計(jì)算方法與真實(shí)裂縫寬度的關(guān)系、監(jiān)測(cè)用設(shè)備的資金投入等因素，實(shí)際應(yīng)用中采用VWD—20 表面安裝型裂縫計(jì)對(duì)于裂縫監(jiān)控會(huì)更安全、更經(jīng)濟(jì)，因此目前對(duì)于已有橋梁裂縫寬度監(jiān)測(cè)建議采用振弦式表面安裝型裂縫計(jì)。相對(duì)而言，DP—PTSD—F50 智能裂縫監(jiān)測(cè)儀測(cè)試技術(shù)不夠成熟，穩(wěn)定性較差，現(xiàn)階段還不宜直接應(yīng)用。

本工程應(yīng)用主要針對(duì)已有裂縫“點(diǎn)”與“線”的監(jiān)測(cè)，如何實(shí)現(xiàn)橋梁控制截面一定范圍內(nèi)“面”的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)現(xiàn)對(duì)新增裂縫的及時(shí)捕捉，如何增加新興智能監(jiān)測(cè)方法（如仿生機(jī)敏網(wǎng)傳感器裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)[7-8]等）的可靠度和靈敏度，以及實(shí)現(xiàn)裂縫長(zhǎng)度、寬度和深度等的全方面監(jiān)測(cè)都是今后橋梁裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)需要解決的問題。

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