橋梁裂縫寬度監測方法

袁微微，張紅雷

（1.江蘇省交通規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京211100；2.江蘇華通工程檢測有限公司，江蘇 南京211100）

0 引言

裂縫是混凝土橋梁最常見的一種病害，裂縫的出現不僅有損橋梁美觀，減小截面的受力面積，同時還會影響結構的抗滲透性能，導致水分及有害物質滲入，誘發鋼筋銹蝕或加速混凝土的自然老化，從而損害橋梁結構的承載能力，對橋梁安全性能產生不利影響?！豆蜂摻罨炷良邦A應力混凝土橋涵設計規范》第6.4.2 條規定了鋼筋混凝土構件和B 類預應力混凝土構件的最大裂縫寬度限值[1]，將裂縫寬度作為裂縫形態（寬度、長度、走向）中最重要的一個參數。因此，對橋梁裂縫寬度有必要進行重點檢測和跟蹤監測。

傳統的裂縫寬度檢測主要通過人工接觸式的測量方法進行，這種方法對于高速公路跨路和跨航道的橋梁無論是在人力、物力還是時間上都有很大的消耗，并且測量結果常常伴隨有人工誤差。依靠人工不定期的檢查，往往不能及時發現裂縫，且從機理上不具備大范圍與長期跟蹤監測的功能。

在已出現的橋梁典型裂縫上安裝振弦式傳感器或光纖光柵傳感器可以對裂縫寬度進行實時跟蹤監測，對裂縫的發展狀態進行及時掌握，本文中的兩座橋梁即采用此類方法進行監測。

為了能夠及時捕捉裂縫的出現，并實現大范圍、分布式跟蹤監測，國內外開發研究了多種形式的光纖傳感器[2]以及特殊材料導電膜紅外熱成像監測技術等。同時，隨著測量技術的發展，逐漸開發了基于圖像分析技術的裂縫寬度測量與檢測方法[3-4]。

1 工程概況

鹽河特大橋橋梁總長870m。橋梁主橋上部結構為（42+65+42）m 變截面預應力混凝土連續箱梁，如圖1 所示。新通揚運河大橋，全長1 125.97m，主線跨328 國道橋梁上部結構為23（27）m+36m+27（23）m預應力鋼筋混凝土連續箱梁。

圖1 鹽河特大橋主橋立面布置圖（單位：cm）

在2011 年橋梁定期檢測中發現：鹽河特大橋主橋預應力混凝土連續箱梁的底板新增2條橫向裂縫、23條縱向裂縫和5條斜向裂縫；新通揚運河大橋跨328國道聯存在多處病害，主要為底板的縱橫向裂紋、腹板的斜、縱向裂紋等。2012 年，檢測單位在兩座橋梁各選擇4 條典型裂縫進行長期監測。為保證效果，同時采用多種方法和設備對裂縫進行監測，以便監測結果相互校核。根據監測數據結果，對裂縫的發展情況作出分析，同時對實際應用的多種裂縫監測儀器進行適應性、可靠性、經濟性評價，并選擇一種合適的方法應用于今后橋梁裂縫寬度的監測。三種裂縫監測設備現場布置如圖2所示。

圖2 三種裂縫監測設備現場布置圖

2 裂縫寬度主要監測方法

2.1 振弦式表面型裂縫計

VWD型振弦式測縫計（相關參數見表1）適用于長期布設在混凝土結構物或其他材料結構物內或表面上，測量結構物伸縮縫或周邊縫的開合度（變形），并可同步測量埋設點的溫度。當被測結構物發生變形時將引起位移計的位移變化，經萬向連軸節傳遞給二級機械負放大機構，經負放大后的位移傳遞給振弦轉變成振弦應力變化，從而改變振弦的振動頻率。電磁線圈激振振弦并測量其振動頻率，頻率信號經由電纜傳輸至讀數裝置，即可測出被測裂縫的寬度。

表1 產品基本技術參數

2.2 FBG分布式光纖傳感器

FBG（Fiber Bragg Grating）是用紫外全息曝光法在普通光纖上形成的一種稱為Bragg Grating（布拉格光柵）且纖芯折射率呈周期性變化的光柵。

FBG光纖傳感器是基于波長變化原理進行變形測量的，如圖3 所示，當一個寬帶光源照射FBG時，一系列由FBG 纖芯折射率周期調制所形成的反射面反射回來的光將相互干涉，只有滿足布拉格定律的光才可以相互增強。在光柵處施加外力，會導致光柵的間隔發生變化，反射光的中心波長也會發生相應變化。中心波長和布拉格光柵周期以及纖芯有效折射率有關，因而通過測量布拉格中心波長的變化即可測出應變和溫度擾動。通過應變和標距長度，可以得到裂縫寬度。外界溫度或應力的變化會使FBG 反射光的中心波長值發生漂移，因此需要設置參考點進行相應的溫度補償。

圖3 FBG傳感示意圖

FBG光纖傳感器可根據需要任意布置于裂縫表面，通過光纖光柵解調儀SM130，可以實現所測通道全部傳感器以1kHz 頻率同時高速掃描，每個通道可實現多個傳感器串聯檢測，分辨率小于1pm，可重復性1pm。不受環境電磁場干擾，測量數據穩定，可以通過無線傳感技術和Internet 進行遠程數據傳輸和在線遠程長期監測。

本次監測采用FBG—5100 型光纖光柵裂縫計（見表2），它由光纖光柵應變計、萬向節等部件組成，傳感器完全密封，通過一定的應變增敏技術提高監測的準確度和精度[5]。

表2 FBG—5100技術指標

2.3 DP—PTS—F50智能裂縫監測儀

DP—PTS—F50 智能裂縫監測儀用于長期定點監測并記錄在高空以及不易接觸結構位置上的重點裂縫變化情況。該監測儀能自主地連續測量并記錄裂縫在一段時間內的變化過程以及外界環境溫度的變化值，從而清晰地反映該裂縫的變化趨勢。位移傳感器可一次安裝到裂縫上，其測量/記錄部分采用電纜連接到接近地面或易于達到的位置，便于日后的參數設置、實時數據查看、數據下載及電池更換等人工操作。內置的儲存器可長期記錄該裂縫的寬度變化數據。標準USB 接口方便直接下載記錄的數據到手持式PDA 或電腦等終端上。

該儀器的測量原理為：以第一點測得的數據為參考值A0，其對應的裂縫寬度為裂縫初始寬度K0；以后測得的數據為An，則裂縫寬度為Kn=K0An/A0。

表3 DP—PTS—F50基本技術參數

2.4 導電涂料

導電涂料是由有機高分子涂料固化成膜形成的。根據研究，導電通路的形成主要是由宏觀上的“滲流作用”和微觀上的“隧道效應”產生。雖然不同種類的導電粒子有不同的形狀：纖維狀、片狀、球狀、鏈狀等，但是導電原理相似。為了便于分析，可以近似地將所有導電粒子簡化為球體。導電粒子形成導電通路主要有三種狀態，如圖4所示[6]。

圖4 導電膜導電模型示意圖

利用導電涂料可對混凝土結構裂縫的出現、發展進行全過程跟蹤監測，它能夠敏銳地察覺所測范圍內任何部位裂縫的出現與擴展。從微觀上而言，導電涂料的導電性能取決于導電顆粒間的距離，一旦距離大于某個閾值，電阻會發生躍變。利用具備一定測量精度的電阻測量儀器作為信號采集儀器即可監測裂縫寬度的變化。

3 主要監測結果

2012年8月13日～18日采用橋梁檢測車等機械設備在構件表面進行多種裂縫監測儀器的布置。本次裂縫監測長期采用了振弦式表面型裂縫計、FBG 分布式光纖傳感器以及DP—PTS—F50 智能裂縫監測儀三種方法，導電涂料方法計劃在今年開始實施。2012 年9 月13 日進行第一次數據采集（作為標準值），截止到2013年6月16日共采集了6次數據。下面將對其中一座橋梁（鹽河特大橋）的監測結果進行分析。

3.1 FBG分布式光纖傳感器

采用該儀器的監測結果如表4和圖5所示。

表4 連續箱梁裂縫寬度表（傳感器：FBG）

圖5 連續箱梁裂縫寬度變化圖（傳感器：FBG）

從表4 和圖5 可以看出，隨著溫度的變化，全部4條裂縫都表現出微量的增大然后再減小，這說明裂縫沒有持續增大，主要是由于溫度的變化而引起裂縫寬度的小幅變化。

3.2 振弦式表面型裂縫計

采用該儀器的監測結果如圖6所示。

圖6 連續箱梁裂縫寬度變化圖（傳感器：VWD-20）

從圖6 可以看出，VWD—20 測量的裂縫寬度變化趨勢與FBG 測得的裂縫寬度變化趨勢基本吻合。

3.3 DP—PTS—F50智能裂縫監測儀

DP—PTSD—F50 智能裂縫監測儀在使用過程中發現尚不夠成熟，在整個監測周期內發生多次故障，導致采集數據不完整，部分采集數據如表5所示。

表5 連續箱梁裂縫寬度表（傳感器：FBG）

4 結論

基于長標距分布式的FBG 傳感器和VWD—20表面安裝型裂縫計在實橋裂縫寬度監測中數據穩定性均較好，能夠準確反應其變化規律。綜合考慮裂縫寬度計算方法與真實裂縫寬度的關系、監測用設備的資金投入等因素，實際應用中采用VWD—20 表面安裝型裂縫計對于裂縫監控會更安全、更經濟，因此目前對于已有橋梁裂縫寬度監測建議采用振弦式表面安裝型裂縫計。相對而言，DP—PTSD—F50 智能裂縫監測儀測試技術不夠成熟，穩定性較差，現階段還不宜直接應用。

本工程應用主要針對已有裂縫“點”與“線”的監測，如何實現橋梁控制截面一定范圍內“面”的實時監測、實現對新增裂縫的及時捕捉，如何增加新興智能監測方法（如仿生機敏網傳感器裂縫監測技術[7-8]等）的可靠度和靈敏度，以及實現裂縫長度、寬度和深度等的全方面監測都是今后橋梁裂縫監測技術需要解決的問題。

[1] JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[2] 劉靜，何玉珊.分布式光纖檢測橋梁裂縫研究[J].公路交通科技，2010（8）：207-210.

[3] 查旭東，王文強.基于圖像處理技術的連續配筋混凝土路面裂縫寬度檢測方法[J].長沙理工大學學報：自然科學版，2007，4（1）：13-17.

[4] 葉貴如，周青松，林曉威.基于數字圖像處理的表面裂縫寬度測量[J].公路交通科技，2010，27（2）：75-78.

[5] 沈圣，吳智深，楊才千，等.一種基于分布式應變傳感技術的新型應變增敏光纖//[C]第二屆結構工程新進展國際論壇論文集，2008：952.

[6] 鄧安仲，趙啟林，李勝波，等.混凝土裂縫紅外熱成像分布式監測技術研究[J]. 建筑材料學報，2013，16（2）：285-286.

[7] 徐勇，周志祥，張奔牛.混凝土橋梁裂縫仿生監測及工程應用研究[J].公路交通科技，2011，28（4）：73-77.

[8] 張奔牛，楊光，李星星，等.機敏網傳感器及其在橋梁裂縫監測中的應用[J]. 現代電子技術，2013，36（6）：145-148.