基于柔性導(dǎo)電涂料的橋梁裂縫分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

申宇長(zhǎng)，朱 浩

（1.中交二航局第二工程有限公司，重慶 401121；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北武漢 430070）

1 工程概述

中馬友誼大橋位于馬爾代夫北馬累環(huán)礁（North Malé A－toll），跨越Gaadhoo Koa海峽，連接環(huán)礁上馬累島、機(jī)場(chǎng)島（瑚湖爾島）和胡魯馬累島3個(gè)相鄰島嶼，是馬爾代夫最重要的島嶼連接線工程。項(xiàng)目起點(diǎn)位于馬累島東南角，順接規(guī)劃Boduthakurufaanu Magu道路，隨后設(shè)置橋梁跨越Gaadhoo Koa海峽，在機(jī)場(chǎng)島南端登陸，大橋接線與機(jī)場(chǎng)到胡魯馬累島（Hulhu malé）規(guī)劃路順接。

項(xiàng)目路線全長(zhǎng)約2 km，為雙向4車(chē)道公路，主要包括一座長(zhǎng)1390 m的跨海大橋，主橋孔跨布置為100 m+180 m×2+140 m+100 m+60 m，長(zhǎng)760 m；馬累島側(cè)引橋孔跨布置為3×30 m+3×30 m+6×30 m+6×30 m，長(zhǎng) 540 m；機(jī)場(chǎng)島側(cè)采用一聯(lián)3×30 m布置，長(zhǎng)90 m。大橋設(shè)置2個(gè)單向通航孔，通航凈寬70 m，通航凈高為12 m，設(shè)計(jì)時(shí)速60 km/h。橋梁共計(jì)27墩臺(tái)，149根鉆孔灌注樁。

2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的重要性

中馬友誼大橋施工具有“六高、六大、六長(zhǎng)”等不利因素，主橋V構(gòu)混凝土強(qiáng)度、耐久性要求高、易受溫度、鹽度和濕度的影響，現(xiàn)場(chǎng)施工控制難度大；施工過(guò)程中荷載復(fù)雜，在自重荷載以及施工荷載的影響下，V腿根部很容易出現(xiàn)開(kāi)裂。裂縫是混凝土橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況最直接的外觀表現(xiàn)方式[1]，但裂縫病害由于細(xì)小而難以在早期發(fā)現(xiàn)進(jìn)行控制，往往在發(fā)現(xiàn)的時(shí)候已經(jīng)發(fā)展得比較嚴(yán)重，很多工程的失事都是由于裂縫的不穩(wěn)定發(fā)展所導(dǎo)致的[2]。

主橋V腿根部需監(jiān)測(cè)的混凝土范圍較大，現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑及預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)，依靠人工肉眼巡查的方式工作量巨大，難度高，同時(shí)存在安全隱患。傳統(tǒng)的振弦式傳感器只能進(jìn)行點(diǎn)式監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)范圍小，安裝時(shí)需破壞原有混凝土結(jié)構(gòu)，施工難度較大，光纖傳感器監(jiān)測(cè)成本較高，耐久性也有待驗(yàn)證。因此選擇一種低成本、監(jiān)測(cè)范圍大、耐久性高、施工簡(jiǎn)單方便的方式，對(duì)V腿施工過(guò)程中裂縫的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯得尤為必要。

3 監(jiān)測(cè)方案

3.1 監(jiān)測(cè)方法

柔性導(dǎo)電涂料裂縫監(jiān)測(cè)采用最成熟可靠的電阻測(cè)量的方式，利用涂料固化后傳感器電阻隨內(nèi)部導(dǎo)電粒子間距離有非線性躍變的關(guān)系進(jìn)行裂縫監(jiān)測(cè)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的采集與無(wú)線傳輸系統(tǒng)，可對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生與發(fā)展實(shí)施連續(xù)監(jiān)測(cè)和定量評(píng)估。固化后的導(dǎo)電涂料傳感器對(duì)裂縫的發(fā)生異常敏感，裂縫發(fā)生時(shí)傳感器電阻值會(huì)出現(xiàn)躍變現(xiàn)象，一旦裂縫發(fā)展超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能發(fā)出實(shí)時(shí)預(yù)警，避免危害進(jìn)一步發(fā)展擴(kuò)大。

基于柔性導(dǎo)電涂料的橋梁裂縫分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具體是將銅片粘貼到橡膠條上，將導(dǎo)線焊接到銅片上，在橡膠條上刷涂一層導(dǎo)電涂料，解決了以往存在的成本高、無(wú)法對(duì)裂縫寬度進(jìn)行測(cè)量，在裂縫位置確定、裂縫寬度測(cè)量等一系列問(wèn)題上無(wú)法有效解決等缺陷。其可根據(jù)橋梁監(jiān)測(cè)的需要，選擇埋置的位置及數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)橋梁裂縫的分布式檢測(cè)，大大降低了檢測(cè)成本，檢測(cè)效率提高，真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、非接觸、實(shí)時(shí)檢測(cè)。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，柔性導(dǎo)電涂料傳感器具有4個(gè)特點(diǎn)。

（1）分布式，單個(gè)傳感器可感受（2～3）m范圍內(nèi)任意位置混凝土開(kāi)裂，監(jiān)測(cè)的有效范圍更大。

（2）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，由于裂縫出現(xiàn)與擴(kuò)展將裂縫位置局部的導(dǎo)電顆粒間距顯著變化，因此裂縫導(dǎo)致的電阻值變化量一般是結(jié)構(gòu)應(yīng)變、環(huán)境溫度導(dǎo)致的電阻變化值的數(shù)倍甚至十幾倍，因此采集信息受到環(huán)境干擾的程度低，更容易進(jìn)行裂縫信息的提取。

（3）全過(guò)程，導(dǎo)電顆粒位于柔性的膠體，具有良好的柔軟性，傳感器不僅能敏銳地感知裂縫的發(fā)生，而且可以準(zhǔn)確獲取裂縫擴(kuò)展直至破壞全過(guò)程中的縫寬數(shù)據(jù)，定量評(píng)估裂縫的發(fā)展趨勢(shì)，真正做到全程監(jiān)測(cè)。

（4）低成本，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的電阻值作為識(shí)別變量，傳感器與采集儀均是在成熟原材料與元器件上制造成型，成本均為長(zhǎng)標(biāo)距光纖等其他分布式監(jiān)測(cè)方式的50%左右。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

為保證在不破壞混凝土結(jié)構(gòu)原有性能的前提下，及時(shí)采集到箱梁各階段的相關(guān)數(shù)據(jù)，裂縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布設(shè)主要采用膠結(jié)方式進(jìn)行，主要過(guò)程有6個(gè)步驟。

（1）標(biāo)定。導(dǎo)電膜在拉伸過(guò)程中，電阻不斷變大，在安裝前首先對(duì)導(dǎo)電涂料傳感器的電阻與應(yīng)變的變化關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。通過(guò)分析典型導(dǎo)電涂料傳感器標(biāo)定曲線，可看出該導(dǎo)電膜應(yīng)變與電阻值變化的線性相關(guān)系數(shù)R2＝0.9986，兩者為高度線性相關(guān)。

（2）選點(diǎn)。在V墩頂板表面關(guān)鍵部位選擇測(cè)點(diǎn)布置位置，對(duì)混凝土表面進(jìn)行初步打磨，使得布設(shè)面基本平整。本橋V墩第一節(jié)段結(jié)構(gòu)受力影響最大，是最復(fù)雜的斷面，采用涂刷的方式分別在主橋3個(gè)V墩第一節(jié)段的馬累側(cè)、機(jī)場(chǎng)側(cè)各布置4個(gè)點(diǎn)，每個(gè)V墩共8個(gè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)柔性導(dǎo)電涂料長(zhǎng)度1.2 m，在V構(gòu)后續(xù)施工過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)分布以20#墩為例（圖1）。

圖1 柔性導(dǎo)線涂料裂縫監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)分布

（3）表層處理。采用環(huán)氧樹(shù)脂膠對(duì)混凝土表面進(jìn)行處理，增加導(dǎo)電涂料與混凝土之間的連接性，同時(shí)填補(bǔ)結(jié)構(gòu)表面的細(xì)小孔洞。

（4）電極安裝。待環(huán)氧樹(shù)脂膠凝固后，打磨表面，并在兩端粘貼制式電極，方便焊接引線采集數(shù)據(jù)；

（5）傳感器設(shè)置。在設(shè)定的區(qū)域涂刷導(dǎo)電涂料，待導(dǎo)電涂料凝固后在兩端電極處焊接引線。

（6）系統(tǒng)組成。在V墩施工平臺(tái)上安裝導(dǎo)電涂料采集儀，將傳感器端頭引線加固后另一端連接至采集儀，數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)置SIM（Subscriber Identity Module，客戶識(shí)別模塊）卡無(wú)線發(fā)送至云端服務(wù)器。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在節(jié)段進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)，對(duì)V腿根部進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，通過(guò)分析施工時(shí)各測(cè)點(diǎn)處裂縫監(jiān)測(cè)傳感器電阻值變化情況及電阻變化率發(fā)現(xiàn)：①在混凝土澆筑過(guò)程中，V腿根部各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位處傳感器電阻變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)，但由于現(xiàn)場(chǎng)人員及機(jī)械施工，導(dǎo)致出現(xiàn)大量＜初始值的測(cè)值；②參考初始值對(duì)各點(diǎn)位實(shí)測(cè)值進(jìn)行電阻變化率計(jì)算，發(fā)現(xiàn)混凝土澆筑期間，監(jiān)測(cè)部位傳感器電阻變化率基本在2%～11%，各點(diǎn)位變化情況較為一致。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)論

采用柔性導(dǎo)電涂料涂覆在混凝土構(gòu)件表面，依靠測(cè)試導(dǎo)電膜電阻變化值的大小（即時(shí)電阻變化率），可實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土構(gòu)件實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土構(gòu)件變形、開(kāi)裂、裂縫發(fā)展的實(shí)時(shí)的分布式監(jiān)測(cè)。通過(guò)應(yīng)用橋梁裂縫分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，得出3個(gè)結(jié)論。

（1）通過(guò)電阻變化曲線和電阻率變化曲線可知，20#墩V腿混凝土澆筑施工過(guò)程中，各測(cè)點(diǎn)電阻變化趨勢(shì)平穩(wěn)，且電阻變化率曲線均在15%以內(nèi)，根據(jù)計(jì)算公式可知監(jiān)測(cè)部位縫寬均為0 mm，表明混凝土澆筑過(guò)程中V墩根部監(jiān)測(cè)部位未出現(xiàn)裂縫情況。

（2）傳感器沿V墩橫向均勻分布，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值反應(yīng)在澆筑過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)整體電阻變化率趨勢(shì)基本一致，相差在5%左右，表明澆筑過(guò)程中V墩橫向荷載分布均勻，未發(fā)生偏載情況。

（3）導(dǎo)電涂料裂縫監(jiān)測(cè)傳感器大多在內(nèi)陸地區(qū)使用，本次系首次在海洋環(huán)境下實(shí)施，內(nèi)陸地區(qū)往往通過(guò)信號(hào)線即可將多點(diǎn)連接至監(jiān)測(cè)采集儀，而海洋條件下相鄰橋墩間很難實(shí)現(xiàn)，若采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞绞∪ゲ季€的過(guò)程，將大大提高工程的便捷性和經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)束語(yǔ)

導(dǎo)電涂膜能即時(shí)、準(zhǔn)確判斷混凝土構(gòu)件裂縫出現(xiàn)的時(shí)機(jī)，電阻變化率的變化與裂縫寬度發(fā)展保持同步，能有效地對(duì)混凝土構(gòu)件面區(qū)域內(nèi)變形、開(kāi)裂、裂縫發(fā)展進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并成功應(yīng)用在中馬友誼大橋施工過(guò)程中。導(dǎo)電膜裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)在工程中具有較高的實(shí)用價(jià)值，后續(xù)將對(duì)裂縫識(shí)別、精確定位的機(jī)理分析、計(jì)算模型等方面進(jìn)一步研究完善。