城市橋梁裂縫監(jiān)測與工程應(yīng)用分析
2015-06-18
一、前言
隨著社會的發(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時無刻的變化著。然而，城市橋梁裂縫問題是當前橋梁結(jié)構(gòu)中最為常見的病害之一，如果不能及時發(fā)現(xiàn)做出反應(yīng)，這將對橋梁的結(jié)構(gòu)安全無法保障而還將帶來一定的安全風(fēng)險。
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的，造成這種現(xiàn)象的主要原因是在具體施工中沉實的力度和時間不足，也可能是由于骨料產(chǎn)生了下沉現(xiàn)象，沒有及時的對表面進行覆蓋操作。水分消耗過快，所以強度沒有達到要求，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。這個溫度是由混凝土進行澆筑時候的溫度、水泥的溫度以及自身散熱的特點共同決定的。伴隨著溫度的升高，澆筑溫度也會隨之升高，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，和熱力的影響也會出現(xiàn)裂縫。
3、混凝土的收縮
混凝土硬化的過程中，體積會有所減小。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荷標準。如果在橋梁建筑中，過度在橋梁上放置建筑工具、設(shè)備和材料。造成負荷過重，有可能造成裂縫的發(fā)生。同時施工次序不標準，造成橋梁過早承受負荷，也會產(chǎn)生裂縫。對橋梁的設(shè)計結(jié)構(gòu)不了解，粗暴施工也會造成裂縫的產(chǎn)生。
（2）材料質(zhì)量不符合標準，造成裂縫
橋梁對各種材料有細致的要求，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，無疑對橋梁的工程質(zhì)量會造成惡劣的影響。同時不同材料在按比例額進行搭配的時候，如果搭配的比例不科學(xué)，隨意搭配，也會造成質(zhì)量不合格，出現(xiàn)橋梁裂縫。
?。?）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、運輸、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，容易產(chǎn)生縱向的、橫向等各種裂縫。首先混凝土保護層過厚，或亂踩已綁扎的上層鋼筋，使承受負彎矩的受力筋保護層加厚，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、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。再次混凝土澆筑過快，其流動性較低，在硬化前因混凝土沉實不足，硬化后沉實過大，容易在澆筑數(shù)小時后發(fā)生裂縫，即塑性收縮裂縫。最后用泵送混凝土施工時，為保證混凝土的流動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
嚴格把好材料質(zhì)量審核關(guān)。把緊采購大門。對于劣質(zhì)產(chǎn)品或者低價替代產(chǎn)品，在實際生產(chǎn)中一定要杜絕使用。剛采購的材料要進行質(zhì)量檢查，對于進入建筑施工現(xiàn)場的材料也要通過，定期抽樣抽查的方式，掌握材料的實時情況。同時對于材料的配比，要按照科學(xué)的標準嚴格進行，對于不負責任的隨意配比，造成的質(zhì)量問題，要追求操作人員的責任。
2、觀察溫度情況，在合理溫度下進行操作
在骨料的使用中，要注意水泥不要使用過多。同時利用水降低澆筑則甚的溫度。在實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、加強宣傳，提高安全意識
橋梁建筑中安全是第一要務(wù)。不能有絲毫的懈怠。對質(zhì)量的不認真，就是對工程的不認真，對生命的不認真。利用宣傳的力量，警醒每個工作人員，提高責任心，上進心。把安全建筑放在首位，嚴格施工，防患于未然。
4、加強砼的養(yǎng)護工作
目前我國的橋梁工程多為砼結(jié)構(gòu)，質(zhì)量的一個重要指標就是硅的強度。而強度的高低除涉及設(shè)計施工外，主要取決于后期的養(yǎng)護工作。所以，硅養(yǎng)護工作是保證鹼強度的關(guān)鍵工序，要加強砼構(gòu)件的養(yǎng)護，以保證鹼的強度。
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，在橋梁建筑中整體監(jiān)督橋梁建筑工程。從每個環(huán)節(jié)，每個質(zhì)量保證點進行測試檢查。最重要的是在工程完成后，要整體的對橋梁建筑作出最后的安全評估。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。要及時發(fā)現(xiàn)，及時反饋，及時防治。
四、機敏網(wǎng)傳感器
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)在距離監(jiān)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)展狀況。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，實施工藝復(fù)雜，后期維護困難。
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。
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。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。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。
3、構(gòu)造設(shè)計
因為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，有利于確保電信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，經(jīng)過反復(fù)實驗，確定了采用漆包線作為機敏網(wǎng)的傳感材料。另外，考慮到機敏網(wǎng)要便于結(jié)構(gòu)集成和運輸過程中的安全，因此在設(shè)計機敏網(wǎng)時，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敏布。
在混凝土結(jié)構(gòu)表面集成機敏網(wǎng)時，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敏網(wǎng)陣列粘附于混凝土結(jié)構(gòu)表面。這樣，機敏網(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，用于實時感應(yīng)結(jié)構(gòu)體表面出現(xiàn)的裂縫。為實時采集機敏網(wǎng)通斷信號，設(shè)計了中間處理器對機敏網(wǎng)的每條漆包線進行逐一循環(huán)檢測。中間處理器主要由六大部分組成：微處理器，多路選擇器，總線驅(qū)動器，總線驅(qū)動器、防雷擊器件和開關(guān)電源模塊。
五、裂縫寬度監(jiān)測研究
1、實驗研究
考慮到機敏網(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，就可以對裂縫寬度大小進行判斷?；谶@種研究思路，利用WE⁃1000液壓式萬能試驗機和小型鋼筋混凝土試件，設(shè)計了三點彎曲實驗。在試件受壓出現(xiàn)裂縫時，通過裂縫觀測儀（型號：SW⁃LW⁃101）可以直觀地檢測出試件表面的裂縫發(fā)生發(fā)展情況，并且測量出機敏網(wǎng)斷裂時對應(yīng)裂縫寬度。
2、實驗數(shù)據(jù)及分析
在裂縫寬度監(jiān)測實驗中，先后針對線徑為
0.05mm，0.08mm，0.1mm和0.13mm的漆包線分別進行了研究，獲得了大量有用的寬度監(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）
由實驗數(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，非常細小的裂縫（0.02mm）即可引起這種型號漆包線的斷裂，因此0.05mm的漆包線適合于監(jiān)測初始裂縫的發(fā)生情況。另一方面，線徑為0.13mm的漆包線由于延展性較強，一般的細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），這種型號的漆包線才會被裂縫繃斷。采用統(tǒng)計學(xué)的方法，掌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)計于機敏網(wǎng)當中，即可對結(jié)構(gòu)裂縫的開裂寬度進行判斷。
六、工程應(yīng)用
1、工程概況
馬桑溪長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1104.23m，主跨長360m，橋面寬度為30.6m，分為獨立的左右兩幅橋（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
2008年，在對該橋進行人工定期檢測過程中，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，進行人工檢測極為不便，為及時掌握索塔的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，采用改進后的機敏網(wǎng)傳感器，建立一套專門的裂縫監(jiān)測系統(tǒng)安裝在主橋的兩座索塔上，進行長期遠程在線監(jiān)測。
2、傳感器安裝
考慮到兩座索塔的建造結(jié)構(gòu)相同，相對應(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)的裂縫情況來看，裂縫的發(fā)生發(fā)展也是相似的，因此在設(shè)計機敏網(wǎng)和中間處理器的布設(shè)方案時，只針對索塔結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫比較嚴重的區(qū)域布設(shè)機敏網(wǎng)。機敏網(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)的細微裂縫。
3、監(jiān)測機制
安裝調(diào)試完成后，機敏網(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)生發(fā)展情況。一旦監(jiān)測區(qū)域出現(xiàn)裂縫并且達到一定寬度時，產(chǎn)生的應(yīng)變會造成相應(yīng)區(qū)域漆包線的斷裂，中間處理器會將漆包線的斷裂信息發(fā)送到設(shè)置在橋梁現(xiàn)場監(jiān)控中心的工控機中，再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將信息傳回到遠程監(jiān)控中心，由服務(wù)器對機敏網(wǎng)的斷裂數(shù)據(jù)進行分析并及時更新機敏網(wǎng)的斷裂時間和狀態(tài)。如果斷裂的漆包線達到一定數(shù)量，則可以通過專門的軟件模擬重現(xiàn)裂縫的發(fā)生發(fā)展狀態(tài)，給橋梁業(yè)主提供裂縫信息，及時采取相應(yīng)的維修和加固措施，如圖8所示。
4、應(yīng)用效果
索塔上安裝的機敏網(wǎng)傳感器有效監(jiān)測3年時間，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)測數(shù)據(jù)。其中，2號索塔機敏網(wǎng)比較集中地出現(xiàn)了斷裂情況，從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看（見圖3），
2號索塔內(nèi)部機敏網(wǎng)斷裂超過50%的區(qū)域有8處。經(jīng)技術(shù)人員現(xiàn)場檢測證實，可見裂縫寬度在0.06～0.2mm之間，均為舊裂縫繼續(xù)擴展產(chǎn)生，其中多處布設(shè)了機敏網(wǎng)傳感器的監(jiān)測區(qū)域裂縫擴展情況較為明顯。
圖3：2號索塔內(nèi)塔裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)
七、結(jié)語
綜上所述，針對橋梁裂縫的問題一定要加以重視，在工作中加強對橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，借助與高新科技，事實證明：采用傳感技術(shù)可以對橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測有更為深入還了解。另外，橋梁監(jiān)測工作在工程應(yīng)用中，實現(xiàn)了對橋梁索塔裂縫發(fā)生發(fā)展及裂縫開裂程度（寬度）的長期遠程在線監(jiān)測，保障了橋梁結(jié)構(gòu)安全。
