城市桥梁裂缝监测与工程应用分析
2015-06-18
一、前言
随着社会的发展，生产技术水平的不断提高，城市桥梁的结构体系以及截面形式都在无时无刻的变化着。然而，城市桥梁裂缝问题是当前桥梁结构中最为常见的病害之一，如果不能及时发现做出反应，这将对桥梁的结构安全无法保障而还将带来一定的安全风险。
二、桥梁建筑中混凝土出现裂缝的原因
1、沉缩使混凝土产生裂缝
沉缩造成的混凝土裂缝是较为常见的，造成这种现象的主要原因是在具体施工中沉实的力度和时间不足，也可能是由于骨料产生了下沉现象，没有及时的对表面进行覆盖操作。水分消耗过快，所以强度没有达到要求，在后期的某些牵引力的作用下，差生了裂缝。
2、混凝土受气温变化的影响产生裂缝
混凝土在施工完成后，自身也有它的温度。这个温度是由混凝土进行浇筑时候的温度、水泥的温度以及自身散热的特点共同决定的。伴随着温度的升高，浇筑温度也会随之升高，容易产生裂缝。反之，如果外界温度很低，那么混凝土内部温度较高，两者的热传递，和热力的影响也会出现裂缝。
3、混凝土的收缩
混凝土硬化的过程中，体积会有所减小。这也影响了自身结构的稳定性。如果在体积缩小的过程中收到某些外部部件的约束，那么也容易产生裂缝。
4、其它裂缝产生原因
（1）荷载引起的裂缝
任何材料，任何工程都有自身的负荷标准。如果在桥梁建筑中，过度在桥梁上放置建筑工具、设备和材料。造成负荷过重，有可能造成裂缝的发生。同时施工次序不标准，造成桥梁过早承受负荷，也会产生裂缝。对桥梁的设计结构不了解，粗暴施工也会造成裂缝的产生。
（2）材料质量不符合标准，造成裂缝
桥梁对各种材料有细致的要求，如果在材料选取中偷工减料，或者使用材质低劣的不合格产品，无疑对桥梁的工程质量会造成恶劣的影响。同时不同材料在按比例额进行搭配的时候，如果搭配的比例不科学，随意搭配，也会造成质量不合格，出现桥梁裂缝。
（3）施工工艺质量引起的裂缝
在混凝土结构浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中，若施工工艺不合理、施工质量低劣，容易产生纵向的、横向等各种裂缝。首先混凝土保护层过厚，或乱踩已绑扎的上层钢筋，使承受负弯矩的受力筋保护层加厚，导致构件的有效高度减小，形成与受力钢筋垂直方向的裂缝。其次混凝土振捣不密实、不均匀，出现蜂窝、麻面、空洞，导致钢筋锈蚀或其他荷载裂缝的起源点。再次混凝土浇筑过快，其流动性较低，在硬化前因混凝土沉实不足，硬化后沉实过大，容易在浇筑数小时后发生裂缝，即塑性收缩裂缝。最后用泵送混凝土施工时，为保证混凝土的流动性增加水和水泥用量，或因其他原因加大了水灰比，导致混凝土凝结硬化时收缩量增加，使得混凝土体积上出现不规则裂缝。
三、桥梁建筑中裂缝的防治办法
1、控制桥梁建筑材料的质量
严格把好材料质量审核关。把紧采购大门。对于劣质产品或者低价替代产品，在实际生产中一定要杜绝使用。刚采购的材料要进行质量检查，对于进入建筑施工现场的材料也要通过，定期抽样抽查的方式，掌握材料的实时情况。同时对于材料的配比，要按照科学的标准严格进行，对于不负责任的随意配比，造成的质量问题，要追求操作人员的责任。
2、观察温度情况，在合理温度下进行操作
在骨料的使用中，要注意水泥不要使用过多。同时利用水降低浇筑则甚的温度。在实际操作中要注意季节性。比如在夏季，温度较高，那么要避免高温进行。在冬季，要注意保温，防止形成薄壁结构，造成变形出现裂缝。
3、加强宣传，提高安全意识
桥梁建筑中安全是第一要务。不能有丝毫的懈怠。对质量的不认真，就是对工程的不认真，对生命的不认真。利用宣传的力量，警醒每个工作人员，提高责任心，上进心。把安全建筑放在首位，严格施工，防患于未然。
4、加强砼的养护工作
目前我国的桥梁工程多为砼结构，质量的一个重要指标就是硅的强度。而强度的高低除涉及设计施工外，主要取决于后期的养护工作。所以，硅养护工作是保证硷强度的关键工序，要加强砼构件的养护，以保证硷的强度。
5、工程监理工作，把好质量检测最后关口
工程监理，在桥梁建筑中整体监督桥梁建筑工程。从每个环节，每个质量保证点进行测试检查。最重要的是在工程完成后，要整体的对桥梁建筑作出最后的安全评估。所以要加大监督力度。对于任何影响桥梁质量的裂缝都不能放过。要及时发现，及时反馈，及时防治。
四、机敏网传感器
被广泛采用的点监测方法，即在桥梁结构上的一些理论预测关键点位置布设如应变、加速度等传感器进行监测，根据传感信号判断全桥或局部健康状态。如果预测关键点比较准确，点监测方法是一种可行的方法。但在实际桥梁结构中，由于材料的非均匀性及计算误差等原
因，裂缝不一定出现在理论预测的关键点。根据Soh等人的研究，对于尺度较大的桥梁结构，裂缝即使出现在距离监测点较近的位置，只要不在监测点有效范围以内，监测点的测量数据一般无明显变化，或根据测得的变化数据不足以分析出结构损伤状况。近年来，以光纤传感器为主的分布式监测方法进行结构裂缝和损伤监测得到较广泛的应用。此方法采用光时域反射技术（OTDR）或光频域反射技术（OFDR）采集布设在多点的传感器信号，对结构物进行大范围的、连续、分布式监测。如Beatriz等人利用分布式光纤传感器监测钢筋混凝土结构应变，从而间接测量引起结构开裂的变形情况；Yang等人利用分布式HCFRP传感器监测预应力混凝土箱梁在破坏性实验过程中的应力分布和裂缝发生发展状况。这种监测方式抗电磁干扰性能较好，监测精度较高，但一般需要将传感器预埋在结构物内部，实施工艺复杂，后期维护困难。
1、设计思想
为了解决混凝土桥梁结构的裂缝监测问题，模拟富含神经元及神经脉络的动物肌肤对创伤的感知机理，提出了机敏网裂缝监测传感技术，其基本思想是：使用大量相互独立的机敏监测线（单根神经）以神经网络的方式布设在混凝土结构表面，网络中机敏线的交叉点形成神经元节点，中间处理器构成传递神经感应信号的脊髓组织，由主控电脑构成大脑中枢，实现对整套系统的实时控制和对整个结构区域的全方位监测。
2、监测原理
由于结构体表面开裂时，局部应变非常大，一旦粘贴机敏网的结构区域出现裂缝，机敏网的传感阵列也会相应开裂，传感信号便会随之中断。中间处理器实时发送和接收传感信号，根据消失的信号判断出机敏线开裂的位置和时间，由两条开裂机敏线的交叉点组合出断裂点坐标。最后通过专门的算法由安装于主控电脑的仿真软件虚拟出实际裂缝的形状。这样，运用机敏网裂缝监测传感技术，用电路而非光路的形式实现对混凝土结构表面初始裂缝发生发展的监测。
3、构造设计
因为金属漆包线具有良好的延展性，并且绝缘性能好，自身电阻小，导电性能优良，有利于确保电信号传输的稳定性，经过反复实验，确定了采用漆包线作为机敏网的传感材料。另外，考虑到机敏网要便于结构集成和运输过程中的安全，因此在设计机敏网时，选择自粘性透明哑膜作为基体材料，将导电漆包线布设成网络阵列粘附于哑膜上制作成机敏布。
在混凝土结构表面集成机敏网时，用特殊工艺将哑膜去除，最后只留下预制在基体材料上的机敏网阵列粘附于混凝土结构表面。这样，机敏网阵列好比遍布于生物体全身的神经脉络，紧紧粘贴于结构体表面，用于实时感应结构体表面出现的裂缝。为实时采集机敏网通断信号，设计了中间处理器对机敏网的每条漆包线进行逐一循环检测。中间处理器主要由六大部分组成：微处理器，多路选择器，总线驱动器，总线驱动器、防雷击器件和开关电源模块。
五、裂缝宽度监测研究
1、实验研究
考虑到机敏网所使用的导电漆包线具有良好的延展性，不同线径的漆包线随着裂缝的发生而断裂，监测到的裂缝开裂宽度是一定的，对应着一定的宽度测量范围。因此在现有的机敏网上布设不同线径的漆包线，根据其断裂情况，就可以对裂缝宽度大小进行判断。基于这种研究思路，利用WE⁃1000液压式万能试验机和小型钢筋混凝土试件，设计了三点弯曲实验。在试件受压出现裂缝时，通过裂缝观测仪（型号：SW⁃LW⁃101）可以直观地检测出试件表面的裂缝发生发展情况，并且测量出机敏网断裂时对应裂缝宽度。
2、实验数据及分析
在裂缝宽度监测实验中，先后针对线径为
0.05mm，0.08mm，0.1mm和0.13mm的漆包线分别进行了研究，获得了大量有用的宽度监测数据，如图1所示。
图1：裂缝宽度监测数据（单位：mm）
由实验数据可知，直径为0.05mm的漆包线对裂缝宽度的监测最为敏感，非常细小的裂缝（0.02mm）即可引起这种型号漆包线的断裂，因此0.05mm的漆包线适合于监测初始裂缝的发生情况。另一方面，线径为0.13mm的漆包线由于延展性较强，一般的细小裂缝并不能够使其断裂，通常是裂缝发展到一定程度（0.2mm以上），这种型号的漆包线才会被裂缝绷断。采用统计学的方法，掌握了各种漆包线开裂与裂缝宽度的对应关系，只需要将不同线径的漆包线布设计于机敏网当中，即可对结构裂缝的开裂宽度进行判断。
六、工程应用
1、工程概况
马桑溪长江大桥是重庆市外环高速公路的一座重要公路桥梁，全长1104.23m，主跨长360m，桥面宽度为30.6m，分为独立的左右两幅桥（见图2）。主桥上部结构为179m+360m+179m的三跨预应力钢筋混凝土双塔双索面斜拉桥。
图2：马桑溪长江大桥
2008年，在对该桥进行人工定期检测过程中，发现两座索塔内外表面存在较为明显的裂缝，以竖向裂缝为主，随后便进行了维修加固处理。由于索塔结构内外表面区域人力均难以触及，进行人工检测极为不便，为及时掌握索塔的结构健康状态，采用改进后的机敏网传感器，建立一套专门的裂缝监测系统安装在主桥的两座索塔上，进行长期远程在线监测。
2、传感器安装
考虑到两座索塔的建造结构相同，相对应结构区域的受力情况是一样的，并且从两座索塔已经出现的裂缝情况来看，裂缝的发生发展也是相似的，因此在设计机敏网和中间处理器的布设方案时，只针对索塔结构出现裂缝比较严重的区域布设机敏网。机敏网以布设线径0.05mm的漆包线为主，可最大限度地感知索塔结构出现的细微裂缝。
3、监测机制
安装调试完成后，机敏网传感器24h不间断监测索塔结构内外表面裂缝的发生发展情况。一旦监测区域出现裂缝并且达到一定宽度时，产生的应变会造成相应区域漆包线的断裂，中间处理器会将漆包线的断裂信息发送到设置在桥梁现场监控中心的工控机中，再通过GPRS网络将信息传回到远程监控中心，由服务器对机敏网的断裂数据进行分析并及时更新机敏网的断裂时间和状态。如果断裂的漆包线达到一定数量，则可以通过专门的软件模拟重现裂缝的发生发展状态，给桥梁业主提供裂缝信息，及时采取相应的维修和加固措施，如图8所示。
4、应用效果
索塔上安装的机敏网传感器有效监测3年时间，获取了索塔结构内外表面裂缝发生发展的大量监测数据。其中，2号索塔机敏网比较集中地出现了断裂情况，从监测数据来看（见图3），
2号索塔内部机敏网断裂超过50%的区域有8处。经技术人员现场检测证实，可见裂缝宽度在0.06～0.2mm之间，均为旧裂缝继续扩展产生，其中多处布设了机敏网传感器的监测区域裂缝扩展情况较为明显。
图3：2号索塔内塔裂缝监测数据
七、结语
综上所述，针对桥梁裂缝的问题一定要加以重视，在工作中加强对桥梁结构的监测，借助与高新科技，事实证明：采用传感技术可以对桥梁结构的监测有更为深入还了解。另外，桥梁监测工作在工程应用中，实现了对桥梁索塔裂缝发生发展及裂缝开裂程度（宽度）的长期远程在线监测，保障了桥梁结构安全。
