基于柔性导电涂料的桥梁裂缝分布式监测系统

申宇长，朱 浩

（1.中交二航局第二工程有限公司，重庆 401121；2.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉 430070）

1 工程概述

中马友谊大桥位于马尔代夫北马累环礁（North Malé A-toll），跨越Gaadhoo Koa海峡，连接环礁上马累岛、机场岛（瑚湖尔岛）和胡鲁马累岛3个相邻岛屿，是马尔代夫最重要的岛屿连接线工程。项目起点位于马累岛东南角，顺接规划Boduthakurufaanu Magu道路，随后设置桥梁跨越Gaadhoo Koa海峡，在机场岛南端登陆，大桥接线与机场到胡鲁马累岛（Hulhu malé）规划路顺接。

项目路线全长约2 km，为双向4车道公路，主要包括一座长1390 m的跨海大桥，主桥孔跨布置为100 m+180 m×2+140 m+100 m+60 m，长760 m；马累岛侧引桥孔跨布置为3×30 m+3×30 m+6×30 m+6×30 m，长 540 m；机场岛侧采用一联3×30 m布置，长90 m。大桥设置2个单向通航孔，通航净宽70 m，通航净高为12 m，设计时速60 km/h。桥梁共计27墩台，149根钻孔灌注桩。

2 实时监测的重要性

中马友谊大桥施工具有“六高、六大、六长”等不利因素，主桥V构混凝土强度、耐久性要求高、易受温度、盐度和湿度的影响，现场施工控制难度大；施工过程中荷载复杂，在自重荷载以及施工荷载的影响下，V腿根部很容易出现开裂。裂缝是混凝土桥梁结构安全状况最直接的外观表现方式[1]，但裂缝病害由于细小而难以在早期发现进行控制，往往在发现的时候已经发展得比较严重，很多工程的失事都是由于裂缝的不稳定发展所导致的[2]。

主桥V腿根部需监测的混凝土范围较大，现场混凝土浇筑及预应力张拉时间也相对较长，依靠人工肉眼巡查的方式工作量巨大，难度高，同时存在安全隐患。传统的振弦式传感器只能进行点式监测，监测范围小，安装时需破坏原有混凝土结构，施工难度较大，光纤传感器监测成本较高，耐久性也有待验证。因此选择一种低成本、监测范围大、耐久性高、施工简单方便的方式，对V腿施工过程中裂缝的情况进行实时监测显得尤为必要。

3 监测方案

3.1 监测方法

柔性导电涂料裂缝监测采用最成熟可靠的电阻测量的方式，利用涂料固化后传感器电阻随内部导电粒子间距离有非线性跃变的关系进行裂缝监测，通过现场的采集与无线传输系统，可对混凝土结构裂缝的发生与发展实施连续监测和定量评估。固化后的导电涂料传感器对裂缝的发生异常敏感，裂缝发生时传感器电阻值会出现跃变现象，一旦裂缝发展超过预设的阈值，监测系统能发出实时预警，避免危害进一步发展扩大。

基于柔性导电涂料的桥梁裂缝分布式实时监测系统具体是将铜片粘贴到橡胶条上，将导线焊接到铜片上，在橡胶条上刷涂一层导电涂料，解决了以往存在的成本高、无法对裂缝宽度进行测量，在裂缝位置确定、裂缝宽度测量等一系列问题上无法有效解决等缺陷。其可根据桥梁监测的需要，选择埋置的位置及数量，从而实现桥梁裂缝的分布式检测，大大降低了检测成本，检测效率提高，真正实现远距离、非接触、实时检测。与传统监测技术相比，柔性导电涂料传感器具有4个特点。

（1）分布式，单个传感器可感受（2～3）m范围内任意位置混凝土开裂，监测的有效范围更大。

（2）环境适应性强，由于裂缝出现与扩展将裂缝位置局部的导电颗粒间距显著变化，因此裂缝导致的电阻值变化量一般是结构应变、环境温度导致的电阻变化值的数倍甚至十几倍，因此采集信息受到环境干扰的程度低，更容易进行裂缝信息的提取。

（3）全过程，导电颗粒位于柔性的胶体，具有良好的柔软性，传感器不仅能敏锐地感知裂缝的发生，而且可以准确获取裂缝扩展直至破坏全过程中的缝宽数据，定量评估裂缝的发展趋势，真正做到全程监测。

（4）低成本，监测系统采用传统的电阻值作为识别变量，传感器与采集仪均是在成熟原材料与元器件上制造成型，成本均为长标距光纤等其他分布式监测方式的50%左右。

3.2 现场实施

为保证在不破坏混凝土结构原有性能的前提下，及时采集到箱梁各阶段的相关数据，裂缝监测系统的布设主要采用胶结方式进行，主要过程有6个步骤。

（1）标定。导电膜在拉伸过程中，电阻不断变大，在安装前首先对导电涂料传感器的电阻与应变的变化关系进行标定。通过分析典型导电涂料传感器标定曲线，可看出该导电膜应变与电阻值变化的线性相关系数R2=0.9986，两者为高度线性相关。

（2）选点。在V墩顶板表面关键部位选择测点布置位置，对混凝土表面进行初步打磨，使得布设面基本平整。本桥V墩第一节段结构受力影响最大，是最复杂的断面，采用涂刷的方式分别在主桥3个V墩第一节段的马累侧、机场侧各布置4个点，每个V墩共8个点，每个测点柔性导电涂料长度1.2 m，在V构后续施工过程中进行实时监测。测点分布以20#墩为例（图1）。

图1 柔性导线涂料裂缝监测测点分布

（3）表层处理。采用环氧树脂胶对混凝土表面进行处理，增加导电涂料与混凝土之间的连接性，同时填补结构表面的细小孔洞。

（4）电极安装。待环氧树脂胶凝固后，打磨表面，并在两端粘贴制式电极，方便焊接引线采集数据；

（5）传感器设置。在设定的区域涂刷导电涂料，待导电涂料凝固后在两端电极处焊接引线。

（6）系统组成。在V墩施工平台上安装导电涂料采集仪，将传感器端头引线加固后另一端连接至采集仪，数据通过内置SIM（Subscriber Identity Module，客户识别模块）卡无线发送至云端服务器。

3.3 监测数据分析

在节段进行混凝土浇筑时，对V腿根部进行全程监测，通过分析施工时各测点处裂缝监测传感器电阻值变化情况及电阻变化率发现：①在混凝土浇筑过程中，V腿根部各监测点位处传感器电阻变化趋势较为平稳，但由于现场人员及机械施工，导致出现大量＜初始值的测值；②参考初始值对各点位实测值进行电阻变化率计算，发现混凝土浇筑期间，监测部位传感器电阻变化率基本在2%～11%，各点位变化情况较为一致。

4 监测结论

采用柔性导电涂料涂覆在混凝土构件表面，依靠测试导电膜电阻变化值的大小（即时电阻变化率），可实现对混凝土构件实现对混凝土构件变形、开裂、裂缝发展的实时的分布式监测。通过应用桥梁裂缝分布式实时监测系统，得出3个结论。

（1）通过电阻变化曲线和电阻率变化曲线可知，20#墩V腿混凝土浇筑施工过程中，各测点电阻变化趋势平稳，且电阻变化率曲线均在15%以内，根据计算公式可知监测部位缝宽均为0 mm，表明混凝土浇筑过程中V墩根部监测部位未出现裂缝情况。

（2）传感器沿V墩横向均匀分布，现场实测值反应在浇筑过程中各测点整体电阻变化率趋势基本一致，相差在5%左右，表明浇筑过程中V墩横向荷载分布均匀，未发生偏载情况。

（3）导电涂料裂缝监测传感器大多在内陆地区使用，本次系首次在海洋环境下实施，内陆地区往往通过信号线即可将多点连接至监测采集仪，而海洋条件下相邻桥墩间很难实现，若采用无线传输的方式省去布线的过程，将大大提高工程的便捷性和经济性。

5 结束语

导电涂膜能即时、准确判断混凝土构件裂缝出现的时机，电阻变化率的变化与裂缝宽度发展保持同步，能有效地对混凝土构件面区域内变形、开裂、裂缝发展进行监测，并成功应用在中马友谊大桥施工过程中。导电膜裂缝监测技术在工程中具有较高的实用价值，后续将对裂缝识别、精确定位的机理分析、计算模型等方面进一步研究完善。

［1］夏占武.桥梁检测与加固技术应用［D］.长春：吉林大学，2004.

［2］邓安仲，赵启林，李胜波，等.基于导电膜电阻拉—敏效应的混凝土裂缝分布式监测技术［J］.解放军理工大学学报（自然科学版），2010，11（2）：162-167.