机敏网传感器及其在桥梁裂缝监测中的应用

摘要：机敏网裂缝监测传感技术模拟人类神经系统的感知机理，可对混凝土结构表面裂缝进行有效监测。针对斜拉桥索塔结构不同宽度裂缝的监测需要，基于机敏网传感器，提出了一种对初始裂缝发生发展及宽度监测的方法。大量实验证明改进后的机敏网传感器能够监测到混凝土结构表面不同开裂程度的裂缝及其扩展情况，根据不同型号漆包线的断裂对初始裂缝宽度进行判断。应用改进后的机敏网传感器，在桥梁索塔监测中及时发现了裂缝的发生发展情况和开裂程度，保障了桥梁安全。
关键词：裂缝监测；机敏网传感器；裂缝宽度监测；桥梁索塔

0 引言
由于桥梁在设计、建设和养护过程中的失误，工程材料的自然缺陷，加之外界自然环境变化，日益增加的交通量等因素，随着服役时间的增长，桥梁结构的损伤逐渐暴露。结构表面裂缝的出现直观地反映了桥梁结构的损伤程度，如不及时控制裂缝的发生和发展，将直接威胁到桥梁的使用安全。运用现代传感技术，人们针对桥梁结构局部裂缝监测提出了一些可行的方法。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临测点较近的位置，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 机敏网传感器
1．1 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，如图1所示。

1．2 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，如图2(a)所示。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，如图2(b)所示。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。