機敏網(wǎng)傳感器及其在橋梁裂縫監(jiān)測中的應(yīng)用

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(zhǔn)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?fàn)顩r。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(biāo)，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。