城市橋梁裂縫監(jiān)測與工程應(yīng)用分析

1、城市橋梁裂縫監(jiān)測與工程應(yīng)用分析一、前言隨著社會(huì)的進(jìn)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時(shí)無刻的變化著。然而，城市橋梁裂縫問題是當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)中最為常見的病害之一，倘若不能準(zhǔn)時(shí)發(fā)覺做出反應(yīng)，這將對橋梁的結(jié)構(gòu)平安無法保障而還將帶來一定的平安風(fēng)險(xiǎn)。二、橋梁建造中混凝土消失裂縫的緣由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的，造成這種現(xiàn)象的主要緣由是在詳細(xì)施工中沉實(shí)的力度和時(shí)光不足，也可能是因?yàn)楣橇袭a(chǎn)生了下沉現(xiàn)象，沒有準(zhǔn)時(shí)的對表面舉行掩蓋操作。水分消耗過快，所以強(qiáng)度沒有達(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

2、工完成后，自身也有它的溫度。這個(gè)溫度是由混凝土舉行澆筑時(shí)候的溫度、水泥的溫度以及自身散熱的特點(diǎn)共同確定的。陪同著溫度的上升，澆筑溫度也會(huì)隨之上升，簡單產(chǎn)生裂縫。反之，倘若外界溫度很低，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)消失裂縫。3、混凝土的收縮混凝土硬化的過程中，體積會(huì)有所減小。這也影響了自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。倘若在體積縮小的過程中收到某些外部部件的約束，那么也簡單產(chǎn)生裂縫。4、其它裂縫產(chǎn)生緣由（1）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)。倘若在橋梁建造中，過度在橋梁上放置建造工具、設(shè)備和材料。造成負(fù)荷過重，有可能造成裂縫的發(fā)生。同時(shí)施工次序不標(biāo)準(zhǔn)，造成橋梁過早承受

3、負(fù)荷，也會(huì)產(chǎn)生裂縫。對橋梁的設(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。（2）材料質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)，造成裂縫橋梁對各種材料有細(xì)致的要求，倘若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，無疑對橋梁的工程質(zhì)量會(huì)造成惡劣的影響。同時(shí)不同材料在按比例額舉行搭配的時(shí)候，倘若搭配的比例不科學(xué)，任意搭配，也會(huì)造成質(zhì)量不合格，消失橋梁裂縫。（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)送、堆放、拼裝及吊裝過程中，若施工工藝不合理、施工質(zhì)量低劣，簡單產(chǎn)生縱向的、橫向等各種裂縫。首先混凝土庇護(hù)層過厚，或亂踩已綁扎的上層鋼筋，使承受負(fù)彎矩的受力筋庇護(hù)層加厚，導(dǎo)致構(gòu)件的有效高度減小，形成與受力

4、鋼筋垂直方向的裂縫。第二混凝土振搗不密實(shí)、不勻稱，消失蜂窩、麻面、空洞，導(dǎo)致鋼筋銹蝕或其他荷載裂縫的起源點(diǎn)。再次混凝土澆筑過快，其流淌性較低，在硬化前因混凝土沉實(shí)不足，硬化后沉實(shí)過大，簡單在澆筑數(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)，為保證混凝土的流淌性增強(qiáng)水和水泥用量，或因其他緣由加大了水灰比，導(dǎo)致混凝土凝固硬化時(shí)收縮量增強(qiáng)，使得混凝土體積上消失不規(guī)章裂縫。三、橋梁建造中裂縫的防治主意1、控制橋梁建造材料的質(zhì)量嚴(yán)格把好材料質(zhì)量審核關(guān)。把緊選購大門。對于劣質(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。剛選購的材料要舉行質(zhì)量檢查，對于進(jìn)入建造施工現(xiàn)場的材料也要通過，定期抽

5、樣抽查的方式，把握材料的實(shí)時(shí)狀況。同時(shí)對于材料的配比，要根據(jù)科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格舉行，對于不負(fù)責(zé)任的任意配比，造成的質(zhì)量問題，要追求操作人員的責(zé)任。2、觀看溫度狀況，在合理溫度下舉行操作在骨料的使用中，要留意水泥不要使用過多。同時(shí)利用水降低澆筑則甚的溫度。在實(shí)際操作中要留意時(shí)節(jié)性。比如在夏季，溫度較高，那么要避開高溫舉行。在冬季，要留意保溫，防止形成薄壁結(jié)構(gòu)，造成變形消失裂縫。3、加強(qiáng)宣揚(yáng)，提高平安意識(shí)橋梁建造中平安是第一要?jiǎng)?wù)。不能有絲毫的懈怠。對質(zhì)量的不仔細(xì)，就是對工程的不仔細(xì)，對生命的不仔細(xì)。利用宣揚(yáng)的力氣，警醒每個(gè)工作人員，提高責(zé)任心，上進(jìn)心。把平安建造放在首位，嚴(yán)格施工，防患于未然。4、加強(qiáng)

6、砼的養(yǎng)護(hù)工作目前我國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)度的凹凸除涉及設(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)量檢測最后關(guān)口工程監(jiān)理，在橋梁建造中整體監(jiān)督橋梁建造工程。從每個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)質(zhì)量保證點(diǎn)舉行測試檢查。最重要的是在工程完成后，要整體的對橋梁建造作出最后的平安評估。所以要加大監(jiān)督力度。對于任何影響橋梁質(zhì)量的裂縫都不能放過。要準(zhǔn)時(shí)發(fā)覺，準(zhǔn)時(shí)反饋，準(zhǔn)時(shí)防治。四、機(jī)敏網(wǎng)傳感器被廣泛采用的點(diǎn)監(jiān)測方法，即在橋梁結(jié)構(gòu)上的一些理論預(yù)報(bào)關(guān)鍵點(diǎn)位置布設(shè)如應(yīng)變、加速度等傳感器舉行監(jiān)測，按照傳

7、感信號(hào)推斷全橋或局部健康狀態(tài)。倘若預(yù)報(bào)關(guān)鍵點(diǎn)比較精確，點(diǎn)監(jiān)測方法是一種可行的方法。但在實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)中，因?yàn)椴牧系姆莿蚍Q性及計(jì)算誤差等原因，裂縫不一定消失在理論預(yù)報(bào)的關(guān)鍵點(diǎn)。按照Soh等人的研究，對于尺度較大的橋梁結(jié)構(gòu)，裂縫即使消失在距離監(jiān)測點(diǎn)較近的位置，只要不在監(jiān)測點(diǎn)有效范圍以內(nèi)，監(jiān)測點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)一般無顯然變化，或按照測得的變化數(shù)據(jù)不足以分析出結(jié)構(gòu)損傷情況。近年來，以光纖傳感器為主的分布式監(jiān)測方法舉行結(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(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)，對結(jié)構(gòu)物舉行大范圍的、繼續(xù)、分布式監(jiān)測。如Beatriz等人利用分布

8、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)開裂的變形狀況；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試驗(yàn)過程中的應(yīng)力分布和裂縫發(fā)生進(jìn)展情況。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(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)測問題，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(jī)理，提出了機(jī)敏網(wǎng)裂縫監(jiān)測傳感技術(shù)，其基本思想是：使用大量互相自立的機(jī)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(jī)敏線的交錯(cuò)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

9、構(gòu)成大腦中樞，實(shí)現(xiàn)對整套系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和對囫圇結(jié)構(gòu)區(qū)域的全方位監(jiān)測。2、監(jiān)測原理因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)體表面開裂時(shí)，局部應(yīng)變十分大，一旦粘貼機(jī)敏網(wǎng)的結(jié)構(gòu)區(qū)域消失裂縫，機(jī)敏網(wǎng)的傳感陣列也會(huì)相應(yīng)開裂，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)，按照出現(xiàn)的信號(hào)推斷出機(jī)敏線開裂的位置和時(shí)光，由兩條開裂機(jī)敏線的交錯(cuò)點(diǎn)組合出斷裂點(diǎn)坐標(biāo)。最后通過特地的算法由安裝于主控電腦的仿真軟件虛擬出實(shí)際裂縫的樣子。這樣，運(yùn)用機(jī)敏網(wǎng)裂縫監(jiān)測傳感技術(shù)，用電路而非光路的形式實(shí)現(xiàn)對混凝土結(jié)構(gòu)表面初始裂縫發(fā)生進(jìn)展的監(jiān)測。3、構(gòu)造設(shè)計(jì)由于金屬漆包線具有良好的延展性，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

10、性，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，決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)送過程中的平安，因此在設(shè)計(jì)機(jī)敏網(wǎng)時(shí)，抉擇自粘性透亮啞膜作為基體材料，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)，用特別工藝將啞膜去除，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)體表面消失的裂縫。為實(shí)時(shí)采集機(jī)敏網(wǎng)通斷信號(hào)，設(shè)計(jì)了中間處理器對機(jī)敏網(wǎng)的每條漆包線舉行逐一循環(huán)檢測。中間處理器主要由六大部分組成：微處理器，多路抉擇器，總線驅(qū)動(dòng)器，總線驅(qū)動(dòng)器、防雷擊器件和開關(guān)

11、電源模塊。五、裂縫寬度監(jiān)測研究1、試驗(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)測到的裂縫開裂寬度是一定的，對應(yīng)著一定的寬度測量范圍。因此在現(xiàn)有的機(jī)敏網(wǎng)上布設(shè)不同線徑的漆包線，按照其斷裂狀況，就可以對裂縫寬度大小舉行推斷?；谶@種研究思路，利用WE1000液壓式萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)和小型鋼筋混凝土試件，設(shè)計(jì)了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。在試件受壓消失裂縫時(shí)，通過裂縫觀測儀（型號(hào)：SWLW101）可以直觀地檢測出試件表面的裂縫發(fā)生進(jìn)展?fàn)顩r，并且測量出機(jī)敏網(wǎng)斷裂時(shí)對應(yīng)裂縫寬度。2、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析在裂縫寬度監(jiān)測試驗(yàn)中，先后針對線徑為0.05mm，0.08mm，0.1mm和0

12、.13mm的漆包線分離舉行了研究，獲得了大量實(shí)用的寬度監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖1所示。圖1：裂縫寬度監(jiān)測數(shù)據(jù)（單位：mm）由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，直徑為0.05mm的漆包線對裂縫寬度的監(jiān)測最為敏感，十分細(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的漆包線適宜于監(jiān)測初始裂縫的發(fā)生狀況。另一方面，線徑為0.13mm的漆包線因?yàn)檠诱剐暂^強(qiáng)，一般的細(xì)小裂縫并不能夠使其斷裂，通常是裂縫進(jìn)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，把握了各種漆包線開裂與裂縫寬度的對應(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，即可對結(jié)構(gòu)裂縫的開裂寬度舉行推斷。六、工程

13、應(yīng)用1、工程概況馬桑溪長江大橋是重慶市外環(huán)高速大路的一座重要大路橋梁，全長1104.23m，主跨長360m，橋面寬度為30.6m，分為自立的左右兩幅橋（見圖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：馬桑溪長江大橋2022年，在對該橋舉行人工定期檢測過程中，發(fā)覺兩座索塔內(nèi)外表面存在較為顯然的裂縫，以豎向裂縫為主，隨后便舉行了修理加固處理。因?yàn)樗魉Y(jié)構(gòu)內(nèi)外表面區(qū)域人力均難以觸及，舉行人工檢測極為不便，為準(zhǔn)時(shí)把握索塔的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，采用改進(jìn)后的機(jī)敏網(wǎng)傳感器，建立一套特地的裂縫監(jiān)測系統(tǒng)安裝在主橋的兩座索塔上，舉行長期遠(yuǎn)程在線監(jiān)測。2、傳感器安裝考慮到

14、兩座索塔的建筑結(jié)構(gòu)相同，相對應(yīng)結(jié)構(gòu)區(qū)域的受力狀況是一樣的，并且從兩座索塔已經(jīng)消失的裂縫狀況來看，裂縫的發(fā)生進(jìn)展也是相像的，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)，只針對索塔結(jié)構(gòu)消失裂縫比較嚴(yán)峻的區(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)消失的微小裂縫。3、監(jiān)測機(jī)制安裝調(diào)試完成后，機(jī)敏網(wǎng)傳感器24h不間斷監(jiān)測索塔結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面裂縫的發(fā)生進(jìn)展?fàn)顩r。一旦監(jiān)測區(qū)域消失裂縫并且達(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)場監(jiān)控中心的工控機(jī)中，再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將信息傳回到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，由服務(wù)器對機(jī)敏網(wǎng)的斷裂數(shù)據(jù)舉行分析并準(zhǔn)時(shí)更新機(jī)敏網(wǎng)的斷裂時(shí)光和狀態(tài)。倘若斷裂的漆包線達(dá)到一定數(shù)量，則可以通過特地的軟件模擬重臨裂縫的發(fā)生進(jìn)展?fàn)顟B(tài)，給橋梁業(yè)主供應(yīng)裂縫信息，準(zhǔn)時(shí)實(shí)行相應(yīng)的修理和加固措施，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3年時(shí)光，獵取了索塔結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面裂縫發(fā)生進(jìn)展的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)。其中，2號(hào)索塔機(jī)敏網(wǎng)比較集中地消失了斷裂狀況，從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看（見圖3），2號(hào)索塔內(nèi)部機(jī)敏網(wǎng)斷裂超過50%的區(qū)域有8處。經(jīng)技術(shù)人員現(xiàn)場檢