混凝土橋梁裂縫開展的機(jī)敏網(wǎng)監(jiān)測方法與應(yīng)用研究.pdf

1、混凝土橋梁的性能退化及失效通常始于裂縫的發(fā)生和發(fā)展，因此對混凝土結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域的裂縫監(jiān)測是橋梁健康監(jiān)測的重要內(nèi)容，本文依托國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的機(jī)敏網(wǎng)仿生裂縫監(jiān)測方法研究”（項(xiàng)目編號:50808188）和西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目“混凝土橋梁裂縫仿生監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)”（項(xiàng)目編號:2009318814065），對混凝土橋梁限寬裂縫機(jī)敏網(wǎng)監(jiān)測方法與應(yīng)用開展了系統(tǒng)的試驗(yàn)和理論研究，主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　1.裂縫寬度是評定混凝

2、土結(jié)構(gòu)狀況的一個(gè)重要指標(biāo)，綜合分析國內(nèi)外公路混凝土橋梁所處環(huán)境狀況及其裂縫寬度限值，提出特征裂縫寬度指標(biāo)可分別確定為開裂及裂縫寬度為0.10mm、0.15mm、0.20mm、0.25mm、0.3mm。基于動(dòng)物肌膚對創(chuàng)傷的感知機(jī)理，根據(jù)特征裂縫寬度監(jiān)測需求，研發(fā)了在混凝土結(jié)構(gòu)表面黏貼由不同直徑的機(jī)敏絲構(gòu)成機(jī)敏絲組的裂縫監(jiān)測機(jī)敏網(wǎng)，達(dá)到既能監(jiān)測混凝土表面裂縫的發(fā)生發(fā)展，又能感知裂縫寬度所在范圍值。
　　2.針對表面粘貼有機(jī)敏絲的混凝土

3、結(jié)構(gòu)，提出一種由混凝土、粘結(jié)膠、機(jī)敏絲構(gòu)成的層合復(fù)合材料理論模型，借助McCartney模型分析方法，研究了混凝土開裂后機(jī)敏絲斷裂瞬間層合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變等物理量，建立了能間接反映機(jī)敏絲直徑與其斷裂時(shí)裂縫寬度關(guān)系的各層位移、應(yīng)力、應(yīng)變等的統(tǒng)一場量微分方程。
　　3.完成了239個(gè)表面粘貼有不同直徑機(jī)敏絲的鋼筋混凝土小型試件的加載試驗(yàn)，獲得了直徑分別為0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.13mm和0.20mm

4、機(jī)敏絲被崩斷時(shí)的1600余組裂縫寬度數(shù)據(jù);完成了3片表面粘貼有四種直徑機(jī)敏絲組成的機(jī)敏絲組的鋼筋混凝土梁加載試驗(yàn)，獲得了直徑分別為0.05mm、0.08mm、0.13mm和0.20mm機(jī)敏絲被崩斷時(shí)的200余組裂縫寬度數(shù)據(jù);應(yīng)用多項(xiàng)分布的卡方（x2-）檢驗(yàn)方法和最大熵方法(Maximum Entropy Method)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，結(jié)果表明各直徑的機(jī)敏絲被崩斷時(shí)的裂縫寬度均滿足正態(tài)分布規(guī)律;機(jī)敏絲直徑越大，被崩斷時(shí)對應(yīng)的裂縫寬

5、度越大。
　　4.針對鋼筋混凝土小型試件和鋼筋混凝土試驗(yàn)梁，分析比較了不同直徑的機(jī)敏絲被崩斷時(shí)對應(yīng)裂縫寬度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明同直徑的機(jī)敏絲斷裂時(shí)對應(yīng)的裂縫寬度的均值、標(biāo)準(zhǔn)差基本相同，說明斷裂時(shí)機(jī)敏絲直徑主要與所跨越的裂縫寬度有關(guān)，而與被監(jiān)測試件大小無關(guān);兩批次試驗(yàn)中各直徑的機(jī)敏絲斷裂時(shí)對應(yīng)裂縫寬度的實(shí)測統(tǒng)計(jì)值與依據(jù)本文建立的層合復(fù)合材料理論模型得到的數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本相同，驗(yàn)證了本文層合復(fù)合材料理論模型的正確性;根據(jù)兩批次試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6、統(tǒng)計(jì)分析和理論計(jì)算結(jié)果，得到直徑分別為0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.13mm和0.20mm機(jī)敏絲斷裂時(shí)對應(yīng)的裂縫寬度分別為0.07mm、0.08mm、0.09mm、0.10mm、0.18mm和0.25mm，據(jù)此建立了不同直徑機(jī)敏絲被崩斷時(shí)對應(yīng)的裂縫寬度計(jì)算公式w=1.2456d+0.0058。
　　5.構(gòu)造了限寬裂縫機(jī)敏網(wǎng)監(jiān)測方法的總體系統(tǒng)，該系統(tǒng)由傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制模塊和數(shù)

7、據(jù)通信模塊五個(gè)模塊組成。在系統(tǒng)硬件方面針對限寬裂縫監(jiān)測重點(diǎn)研究并開發(fā)出了機(jī)敏網(wǎng)傳感器和中間處理器;在軟件方面研究編制了相應(yīng)上位機(jī)主控程序、下位機(jī)采集程序、裂縫仿真程序和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理程序。
　　6.針對大跨徑斜拉橋混凝土索塔內(nèi)外表面的裂縫監(jiān)測要求和實(shí)際監(jiān)測環(huán)境，為監(jiān)測混凝土索塔開裂與否、裂縫寬度是否超過0.20mm或0.25mm，設(shè)計(jì)了由0.05mm、0.13mm和0.20mm三種直徑構(gòu)成的機(jī)敏絲組監(jiān)測網(wǎng)，研制了相應(yīng)硬件和軟件系統(tǒng)