1、基于仿生机敏网的大跨连续刚构桥箱梁裂缝损伤监测应用研究摘要：针对现有大跨连续刚构桥箱梁混凝土裂缝监测方法中存在的问题，采用仿生机敏网与裂缝计组合的裂缝监测系统。首先分析了机敏网监测裂缝的基本原理，裂缝监测系统的组成，并进行了相关工程应用。仿生机敏网裂缝监测系统能实时地监测大跨连续刚构桥箱梁混凝土结构的实际情况，灵敏度高，可靠性好，具有广泛地推广效应。 关键词:连续刚构桥；机敏网；监测；裂缝 中图分类号：TU74 文献标识码： 近年由于种种原因，全世界桥梁安全事故频发，引起社会广泛关注。混凝土桥梁占桥梁绝大多数，其病害发展、性能退化及结构失效通常源于裂缝的发生和发展。因此，裂缝问题是混凝土桥梁健
2、康监测中最重要的内容之一。 针对现有混凝土桥梁裂缝监测方法中存在的问题，本文提出了混凝土桥梁结构仿生裂缝监测方法，依据动物对身体微小损伤的感知机理，利用机敏网模拟神经系统覆盖安装于混凝土桥梁结构表面，对裂缝的产生、发展、长度、位置、形状等各种情况进行有效远程感知及快速或慢速重现，首次实现大型混凝土桥梁结构裂缝状态的远程、在线、长期监测。 1 机敏网裂缝监测的理论分析 混凝土结构设计规范(GB500102002) 1 中的计算方法可以得到机敏网裂缝监测的原理：混凝土开裂过程中机敏线随着混凝土的变形而达到其材料的极限应变，而其线应变却不会随着混凝土的变形而改变，因此机敏线断裂时的变形量将可以表达为
3、混凝土开裂时的形变与机敏线断裂时的裂缝宽度的和： （1） 式中：混凝土开裂后机敏线线应变； 混凝土开裂时机敏线线应变； 机敏线断裂时的裂缝宽度； X 轴方向机敏线与混凝土的结合长。 根据 3 层体系变形传递相关理论2，定义混凝土与机敏线不同材料间的应变传递因子 k,认为 k 是第 3 层的平均应变成正比，与第 1 层的平均应变成反比： （2） 式（2）中 k 可由式（3）计算求得： （3） 式中： ， ，为与材料等相关的常数，一般可以结合工程并通过实验获取。 因此，在获取上述相关参数后，可以将混凝土的裂缝宽度表述为关于机敏线的线应变函数： （4） 同时，由材料力学知识可得： （5） 式中：机敏
4、线的伸长率； 机敏线断裂时长度； 机敏线断裂时线应变。 综上可得裂缝开裂宽度关于机敏线的伸长率的函数关系，如公示（6）： （6） 2 机敏网传感器 2.1 监测系统介绍 机敏网传感监测模拟神经脉络的动物肌肤对创伤的感知机理2，利用大量的机敏监测线以神经网络的方式布设在混凝土结构表面，系统工作机制为：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。 2.2 监测原理 混凝土桥梁结构表面开裂时，裂缝会沿应力较大的方向延伸，当桥梁裂缝经过机敏网监测区域，并且达到一定的宽度时，产生的应变会造成机
5、敏网的断裂，从而导致传感信号的消失。每张机敏网都有其对应的编号，其监测信息实时反映于远程监测的控制电脑内。根据信号消失的时间和位置，就可以获得相应的结构表面裂缝位置。通过远程监测的控制电脑内仿真软件即可模拟出实际的裂缝位置以及裂缝的形状。 裂缝监测系统由传感单元（机敏网） 、中间处理器和终端处理器构成。3 工程应用 3.1 连续刚构大桥概况 云南省蒙新线黑冲沟大桥为连续刚构桥，其由左右两幅独立桥跨组成，主桥上部结构为 9818098m 三跨预应力混凝土连续刚构，桥梁全长 397m；左、右分离两幅桥面宽度均为 0.50m 防撞护栏11.5m 行车道0.50m 防撞护栏，单幅桥宽 12.5m。设计
6、荷载为汽车-超 20 级和挂车-120 级。 目前针对大桥裂缝检测绝大部分位置人工均较难触及，采用人工对桥梁进行长期的健康状态检测难度大，费用高，因此为了了解大桥结构裂缝发展情况，针对该桥的特点，设计了针对箱梁裂缝的长期健康监测系统。 3.2 裂缝监测系统安装情况 根据大桥裂缝监测方案，主要监测内容如下： （1）对每一主要裂缝，根据裂缝长度，在首发裂缝最宽处安装 1 个裂缝计，监测裂缝位置、宽度发展情况。 （2）对每一主要裂缝，在裂缝延伸的前端无裂缝的地方（例如腹板或底板）安装机敏网裂缝传感器，实时监测相应裂缝的发展情况。 （3）对每一主要裂缝之间或在其旁边沿裂缝顺向安装机敏网裂缝传感器，实时
7、监测是否还有裂缝的发生。 （4）在墩顶，左右两幅的箱梁内顶板上各安装 4 张机敏网，实时监测是否还有裂缝的发生。 远程监测中心通过网卡从 Internet 接收裂缝数据，仿真、分析并通过专家系统对桥梁状态进行评判。 系统完成的监测数据表明，主梁未出现新的裂缝。经人工观察验证，监测结果正确，桥梁现阶段工作正常，健康状况相对良好的。 4 结论 基于仿生机敏网的大跨连续刚构桥箱梁裂缝损伤监测方法可以实现箱梁各个部位的实时分布式监测，其监测范围广、灵敏度高、可靠性好，能够全面、可靠的完成对大跨连续刚构桥的监测。系统的开发与设置，可有效的完成对大跨连续刚构桥箱梁裂缝的产生与扩展进行有效地、远程地监测并通
8、过远程监控电脑对裂缝的位置、长度、形状进行实时反应与重现。 目前，仿生机敏网仍然存在一定的问题，例如机敏网的材料、工艺（包括制造工艺与安装工艺）还不够成熟，而这些关键工艺影响着裂缝监测的精度。同时，裂缝监测系统仍需深入的研究与开发改进。 参考文献 1GB50010-2002 混凝土结构设计规范S.北京：中国标准出版社，2002. 2张奔牛，张俊?，黄尚廉.压电传感材料与结构的变形传递模型J.重庆大学学报：自然科学版，2000，23(4). 3 欧进萍.重大工程结构的智能监测和健康诊断(第十一届结构工程学术会议特邀报告) J.工程力学(增刊)，2002，1：44-53. 4 ZouY， Tong L， Steven P G. Vibration-based model-dependent damage (delamination) identification and health monitoring for composite structures-A review J. Journal of Sound and Vibration，2000，230(2)：357-378.
