0 引言
钢桥具有强度高、易制造、施工快等优点，在世界范围内得到了广泛应用。但在车辆荷载和制造缺欠等因素耦合影响下，钢桥可能在焊接等复杂构造细节局部出现疲劳开裂，大幅度降低其服役品质甚至威胁结构安全。由疲劳的扩展和致灾属性决定，一旦疲劳裂纹从微裂纹扩展至长大裂纹，维护难度和成本呈指数级增加，甚至直接引发结构垮塌灾难性事故。在疲劳裂纹出现的早期及时发现并处治，是有效避免钢桥疲劳恶性灾害风险的基本前提。但既有实验测试技术难以实现钢桥复杂构造细节亚毫米/毫米级短裂纹的监测检测，对于百米至千米尺度的钢桥而言，复杂构造细节的亚毫米/毫米级短裂纹与结构的尺度差异大，监测检测难度高，如何及早发现细观裂纹并监测其扩展全过程，是桥梁工程界亟需解决的关键科学问题。
本团队引入纳米材料，研发了一种适用于钢桥疲劳裂纹扩展过程监测检测的新型纳米传感器，并将该传感器作为关键测试技术之一，构建了疲劳裂纹数字化监测检测方法。主要实现路径是：研发具有专利技术的纳米涂层传感器，通过专研材料使涂层具有两个重要特性：一是具有与钢材同步开裂的良好随附损伤特性，二是具有良好的温度不敏感性和电学特性，场域电场和电位差对能够准确表征裂纹扩展过程，能够通过裂纹扩展带动涂层断裂引发的局域电势变化实现结构疲劳损伤的精准监测检测。因纳米涂层本身对其断裂后的电势变化非常敏感，因此可以有效捕捉短裂纹的萌生，并监测其扩展过程，通过监测传感器输出数据变化可以实现对疲劳裂纹的连续监测并精确测量裂纹长度。此外，通过新材料与成型方式的系统研发，突破了采用喷涂方式制造三维构型复杂纳米涂层传感器技术难题，可望实现对钢桥表面任意复杂形状区域的疲劳裂纹监测检测。
图1 钢桥典型疲劳裂纹
1 纳米涂层传感器设计
1.1 纳米涂层传感器监测裂纹原理
所研发的纳米涂层传感器由三层涂层组成，分别是驱动层、传感层和保护层，其结构组成和裂纹监测原理如图2所示。传感器具有随附损伤特性，可随基体同时开裂。其中驱动层附于钢结构基体表面，可将结构与传感层绝缘，继而保证传感层与钢结构基体的电场特性不会相互影响；传感层具有导电的能力，裂纹的出现将减小传感层的导电面积并破坏其中的电场，导致其电势分布产生明显而有规律的变化，通过监测传感层输出电压的变化可推断结构是否开裂并测定裂纹长度；保护层的作用是将传感层与外界环境隔离，保证传感层信号不受外界环境影响并提高传感器耐久性。
图2 涂层传感器的结构组成和裂纹监测原理
1.2 涂层传感器的材料组成
涂层传感器的各层材料组成如图3所示。其中驱动层材料采用由高分子化合物制备而成的涂料，其体积电阻率可达10 14 Ω·cm，制备完成的导电层与基体之间的电阻可达40 MΩ，能够满足其绝缘性要求；传感层材料是由纳米级导电金属微粒与丙烯酸乳液等添加剂组成的导电涂料，通过调整铜粉与丙烯酸乳液的比例来保证制备涂层的导电性、黏附性、均匀性、厚度等性能指标，使其能够满足裂纹监测需求，制备出的涂料实测电导率约为5.34×10 6 S/m；保护层材料采用丙烯酸树脂材料，具有良好的耐水耐腐蚀性能，保证传感层数据不受外界环境干扰。
图3 涂层传感器材料组成
1.3 涂层传感器的制备
为便于在实桥上制备传感器，采用空气喷涂的方式制备涂层传感器各层。此种方式可在正常环境下进行，制备简便，耗时短。各层涂料以一种有序的方式喷涂到基材上。首先，将驱动层喷涂在基材上，然后在干燥后的驱动层上喷涂含有纳米镀银铜粉与其他添加剂的导电涂料，以形成传感层。最后，将丙烯酸树脂喷涂在传感层上以形成保护层。各层在30℃环境下大约30分钟后就会干燥，一旦干燥，就可以进行下一个喷涂步骤，喷涂过程如图4所示。
图4 涂层传感器喷涂过程
涂层厚度直接影响涂层传感器的刚度和韧性，决定了裂纹监测的准确性。本研究中设计了约70μm的喷涂厚度，保护层、传感层和驱动层的厚度约为20+20+30μm。使用扫描电子显微镜观察涂层传感器的微观结构，如图5所示。
图5 涂层传感器微观结构
2 监测检测过程的数值模拟
2.1 测点优化
为寻求最优的传感器测点布置方式，进行测点布置分析。考虑典型应用条件，设计了边长为40×40mm的涂层传感器，在涂层的边界上布置了A-J共10个测点，如图6所示。在模型的两个对角点D、I分别施加恒压输入1V与接地的边界条件，涂层材料取电导率取5.34×10 6 S/m，各向同性，涂层厚度取20 μm。
(a) 有限元模型
(b) 典型测点布置
图6 测点布置分析的数值模拟
采用多物理场有限元软件进行电场稳态分析，求解裂纹从0mm扩展至40mm时的各测点电势，分析步长为1mm。通过各测点间电势相减获得不同输出测点的电压数据，由于不同测点电压数据初始值并不相同，因此将各测点电压数据均减去其初始值得到测点电压变化数据（CPD）进行对比，各测点电压数据随裂纹扩展变化如图7所示。
图7 测点输出数据对比
研究表明，当测点的连线能与裂纹扩展的路径相交时，如FA、EJ等测点，对应的电压数据UFA、UEJ与裂纹长度有良好的相关性，且变化幅度较大，能够满足裂纹监测的需求。综合考虑电压数值变化的幅度大小与测点布置的便利性，选取了电压变化较大且便于布置测点的A、F点作为传感器输出测点。故实际涂层测点布置方式为：在一组对角点上施加大小为1V的恒定电压，输出另一组对角点上的电压数据，优化后测点布置如图8所示。
图8 传感器优化测点布置
2.2 裂纹长度预测模型
为实现裂纹长度预测，应提出传感器输出数据与裂纹长度关系的经验公式。为便于分析数据关系，对裂纹长度和传感器输出数据进行归一化处理。从图7中可以看出，反正切函数可能适用于拟合裂纹长度和CPD的关系曲线，如公式(1)所示。
式中，a代表裂纹长度，L是涂层传感器沿裂纹扩展方向的长度，a/L为归一化裂纹长度；α是函数系数，Φ是与涂层传感器的长宽比（L/W）有关的参数，W为涂层传感器的宽度；UO与UI分别为涂层传感器的输出与输入电压，US是涂层传感器的初始输出电压。
当传感器未开裂时，a等于0，UO等于US；当裂纹穿透涂层时，a等于L，UO等于UI。根据这些边界条件，函数系数α等于arctan -1 (Φ)。因此，公式(1)可以表示为：
其中NCPD表示归一化的传感器输出电压变化(CPD)
分析了不同传感器尺寸对传感器输出数据的影响，结果如图9(a)所示。实际尺寸不同但长宽比相同的传感器在归一化后有相同的数据变化模式；也就是说，当归一化裂纹长度相同时，归一化CPD也相同。此外，对于不同的涂层长宽比，在相同的归一化裂纹长度下，长宽比越大，归一化CPD就越大。本文中的裂纹长度预测模型采用参数Φ来考虑长宽比对传感器数据的影响。该参数与长宽比（L/W）之间的关系是通过拟合数值模拟的结果得到的。与涂层传感器的长宽比（L/W）有关的参数Φ可以表示为：
如图9(b)所示，回归结果显示了良好的可靠性和拟合度（R2=0.997）
(a) CPD 随裂纹长度变化规律
(b)参数与长宽比之间的拟合关系曲线
图9 传感器尺寸对传感器性能的影响
3 纳米涂层传感器裂纹监测试验验证
3.1 裂纹长度预测模型的实验验证
为验证纳米涂层监测裂纹的可行性和裂纹扩展预测模型的正确性，设计了带有V型缺口的试件，如图10所示。通过前述材料制备工艺将涂层材料喷涂于钢构件表面，其中红色和金色部分分别代表驱动层和传感层。为了确保传感层和基材之间的绝缘，驱动层喷涂区域比传感层喷涂区域稍大。保护层的采用透明色材料，以便直接观察传感层中疲劳裂纹的扩展。
图10 疲劳裂纹监测试验试样（单位：mm）
采用电磁谐振式高频疲劳试验机进行疲劳加载，设置最大载荷为36kN，载荷比R为0.1。试验机根据系统的谐振频率自动确定加载频率，5个试样的初始加载频率都在123Hz左右。在涂层传感器上施加1V恒定电压，电压输入点为B和D，电压输出点为A和C。加载系统及试件疲劳破坏如图11所示，涂层传感器试样的疲劳裂纹形态如图12所示。
(a) 加载和监测系统
(b) 试验完成后试样
图11 疲劳裂纹监测试验
图12 涂层传感器的裂纹形态
研究表明，涂层传感器与基体保持了良好的结合，涂层没有出现剥离、脱落的情况，涂层传感器的裂纹随着基体疲劳裂纹的扩展而随附扩展。图13(a)所示为TC-1试样在疲劳裂纹监测试验中的电压变化（CPD）。分析表明，由于循环加载引起涂层传感器的变形，CPD表现出轻微的波动。为了分析疲劳裂纹增长对CPD的影响，TC-1试样在循环载荷下的CPD被平滑处理，以消除循环载荷引起的数据波动，处理后数据如图13(b)所示。
(a) 平滑处理前
(b) 平滑处理后
图13 TC-1试件涂层传感器输出电压变化
在循环加载40分钟后，观察到8mv的输出电压增长，此时涂层传感器表面出现了3mm长的疲劳裂纹，表明涂层传感器可以用于监测早期疲劳微裂纹的扩展。因此，通过设置合理的开裂阈值，可以及时发现早期疲劳裂纹，并连续监测其扩展情况。裂纹扩展长度随循环次数的增加如图14(a)所示，归一化的电压变化(NCPD)与归一化裂纹长度关系如图14(b)所示。
(a) 裂纹长度随循环次数变化规律
(b) 归一化后裂纹长度与CPD关系
图14 疲劳试验测试数据
为更加直观标定公式（2）中CPD与裂纹长度的关系，结合公式（2）和采用归一化的方法进行计算，对比结果如图15所示。其中裂纹长度预测决定系数(R 2 )和RMSE分别等于0.99和0.035，表明涂层传感器在疲劳裂纹监测中的高精确度和适用性。
图15 疲劳裂纹监测数据与预测值对比
为了进一步验证涂层传感器全过程疲劳裂纹监测的准确性，通过喷涂纳米涂层与白色对比度增强剂，对比纳米涂层传感器与高清摄像头图像识别疲劳裂纹数据，如图16所示。 试验对比结果如图17所示。 研究结果表明，两者监测到的裂纹扩展具有相同的趋势，预测的裂纹长度匹配良好，最大的裂纹长度偏差为1.9毫米，表明纳米涂层传感器监测裂纹的有效性。
(a) 试样的制备
(b) 高清摄像头监测
图16 涂层传感器与图像识别疲劳裂纹监测对比试验
(a) 裂纹扩展记录
(b) 监测数据比较
图17 对比试验结果
4 结 语
（1）研发了一种适用于钢桥疲劳裂纹扩展过程监测检测的新型纳米涂层传感器，建立了传感器场域电压和裂纹长度相关关系的理论模型，提出了相应的疲劳裂纹监测检测方法。通过模型试验对传感器和理论模型的有效性进行了验证。研究结果表明，所研发的传感器能够实现毫米级疲劳裂纹的监测检测，理论模型能够实现疲劳裂纹长度的准确表征；
（2）纳米涂层材料的优势在于能够突破长期以来传统传感器一维测试的局限性和长期监测的温漂问题，同时测试精度高、喷涂制备过程简单，适用于新建和在役钢桥的监测检测，具有广阔应用前景；
（3）虽然对该类传感器进行了长期研究和较为系统的验证，但作为一种全新的传感器，还有以下内容需要进一步深化研究：① 通过性能要求开展纳米原材料组成与配比的逆向设计，降低其监测裂纹的最小尺度和温敏性、提升其耐久性；② 针对更为复杂的钢桥焊接、栓接构造，在传感器三维复杂构型，突破从二维到三维复杂空间的电场分布模型分析难题，研发任意复杂构型的传感器；③ 突破传感器三维复杂构型下裂纹扩展状态实时智能感知难题，实现疲劳微裂纹的智能监测检测。
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