基于健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁狀態(tài)評估

莊志凱 陳 勇 張 偉 謝 琪

（1 中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是近年來土木行業(yè)新起的新型業(yè)務(wù)領(lǐng)域，其主要技術(shù)手段為采用監(jiān)測設(shè)備對結(jié)構(gòu)特定的參數(shù)進行不間斷監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析評判，最終達到對結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)評判的目的。橋梁結(jié)構(gòu)作為道路工程中的特殊結(jié)構(gòu)物，相對民用建筑最大的區(qū)別是需承擔(dān)繁重移動荷載，因此，橋梁結(jié)構(gòu)的的安全變顯得尤為重要和迫切。

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)工作包括前期的系統(tǒng)搭建和后期系統(tǒng)的維護和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評估，其中，結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評估是系統(tǒng)建設(shè)的核心工作，。本文將根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的特點，介紹一種橋梁結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)分析及評估的方法。

1 基于健康監(jiān)測數(shù)據(jù)橋梁狀況評定的流程及方法

1.1 評定功能框架及流程

基于橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)評估分為在線評估子模塊和離線評估子模塊。在線評估采用基于層次分析的變權(quán)綜合法進行橋梁技術(shù)狀況綜合評估，離線評估主要包含承載力評估、疲勞評估和其它專項評估。根據(jù)劃分的工作內(nèi)容，整理結(jié)構(gòu)評估工作流程如圖2-1所示。

1.2 橋梁技術(shù)狀況評定的方法——層次評估法

1.2.1 層次評估法基本原理

對于橋梁結(jié)構(gòu)進行狀態(tài)的評估有多種方法，其理論基礎(chǔ)主要有專家系統(tǒng)、可靠度理論、模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。采用結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行評估需要采用一種合理、普適的評估方法，層次分析法是結(jié)構(gòu)評估中經(jīng)常采用的一種方法。其主要的特點是能夠降低和驗證主觀因素對評判的影響，同時對定性因素進行量化。在采用橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)對橋梁結(jié)構(gòu)進行評估的系統(tǒng)中，層次分析法的應(yīng)用主要是用來確定各評定指標的基本權(quán)重。采用層次分析法的結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評估方法應(yīng)根據(jù)所獲取的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)需兼顧結(jié)構(gòu)的整體特征，同時包含局部的參數(shù)狀況。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)規(guī)模的大小及結(jié)構(gòu)的特征，各類橋型均可采用AHP 進行狀態(tài)評估，該方法也是目前在橋梁檢測規(guī)范中使用的方法。其基本評估流程見下圖所示。涉及到橋梁安全等級的確定、層次的劃分、權(quán)重的確定、底層指標的無量綱化和振動評估。

圖2-2 基于層次分析的橋梁健康狀態(tài)綜合評估流程

1.2.2 安全等級的評定

安全等級的確定按照如下的論域進行評定：

表2-1 橋梁綜合評定等級的論域

1.2.3 層次劃分

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的特征，采用層次分析法分析時將分析層次分為：目標層、準則層、大指標層和小指標層。其中，目標層為全橋狀態(tài)的評估，準則層為各區(qū)段狀態(tài)的評估，大指標層是各區(qū)段各類評估指標，小指標層為具體的參數(shù)評價。一般，選取主要的受力構(gòu)件作為準則層；各監(jiān)測構(gòu)件的各項指標，如安全性、耐久性、冗余度等，小指標層可劃分為兩層；①量化的監(jiān)測數(shù)據(jù)序列或監(jiān)測數(shù)據(jù)；②結(jié)構(gòu)狀態(tài)描述劃分的等級標準，可參考養(yǎng)護規(guī)范。

1.2.4 權(quán)重系數(shù)的確定

采用以上技術(shù)路線的關(guān)鍵是確定指標的權(quán)重系數(shù)以及確定底層指標的評估思路、評估準則等。本系統(tǒng)將采用層次分析法對本橋進行技術(shù)狀況評定，相關(guān)權(quán)重系數(shù)主要是考慮城市及公路橋梁養(yǎng)護規(guī)范中的橋梁部件權(quán)重系數(shù)和綜合評估方法，并在此基礎(chǔ)之上，結(jié)合該橋梁的檢測施工資料，分析該橋的結(jié)構(gòu)特點、實際技術(shù)狀況和長期監(jiān)測情況，提出適合于該橋的技術(shù)狀況評估指標、評估項以及評定計算方法。

歷次橋梁定期測評定主要是根據(jù)當(dāng)前橋梁技術(shù)狀況按照現(xiàn)行規(guī)范對橋梁技術(shù)狀況進行評定分析。因此，本技術(shù)評估系統(tǒng)要是在該評分技術(shù)標準基礎(chǔ)之上進行提升和改造，主要是將重點監(jiān)測部位評分項的評定值用長期監(jiān)測的實測值替換，權(quán)重系數(shù)采用本橋?qū)嶋H情況確定出來的權(quán)重系數(shù)進行替換，其余部分的技術(shù)標準假定不變，則評估系統(tǒng)會隨著實測值的變化而給出橋梁技術(shù)狀況隨時間變化情況，這樣得到的評估結(jié)果比定期檢查的評定結(jié)果更加理性和可靠，同時還可以得到結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況隨時間變化的趨勢情況。若對橋梁進行了一次定期檢查等之后，系統(tǒng)將會更新相應(yīng)部分的權(quán)重系數(shù)，實現(xiàn)評估系統(tǒng)不斷自我完善，根據(jù)符合橋梁實際情況的評估系統(tǒng)。利用不確定型層次分析法、群判斷、集值統(tǒng)計原理等方法建立橋梁指標權(quán)重。

2 結(jié)構(gòu)的評估

2.1 在線評估

結(jié)構(gòu)的在線評估主要是結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動進行，其主要工作是建立結(jié)構(gòu)評估體系方法，并且獲得結(jié)構(gòu)評估結(jié)果，最終形成結(jié)構(gòu)評估報告。

在線評估體系：根據(jù)結(jié)構(gòu)的自生特點、綜合評估模型及專家評判的權(quán)重，設(shè)置在線評估體系分層結(jié)構(gòu)、構(gòu)件及相關(guān)參數(shù)。

在線評估結(jié)果：根據(jù)評估體系自動算出相應(yīng)時間段的評估結(jié)果、構(gòu)件評級以及相關(guān)養(yǎng)護建議。

在線評估報告：根據(jù)系統(tǒng)評估結(jié)果，并根據(jù)需評估的時間段，生成評估報告。

在線評估報告的主要內(nèi)容有：①橋梁基本信息、病害及評估記錄等；②突發(fā)事件描述；③結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估結(jié)果；④主要關(guān)鍵結(jié)論；⑤結(jié)構(gòu)管養(yǎng)建議。

2.2 離線評估

2.2.1 橋梁承載力的評定

（1）橋梁承載力評定基本方法

評定的方法主要有兩種，主要是基于結(jié)構(gòu)檢算和荷載試驗對結(jié)構(gòu)承載能力的評估。

第一種方法：基于結(jié)構(gòu)檢算的承載能力評估。通過對結(jié)構(gòu)材質(zhì)、外觀的檢測結(jié)果，確定結(jié)構(gòu)承載能力惡化系數(shù)、結(jié)構(gòu)截面折減系數(shù)，從而對結(jié)構(gòu)承載能力進行相應(yīng)的折減，對比結(jié)構(gòu)初始承載能力設(shè)計值并進行評定。這種方法又稱為直接評定法。

第二種方法是采用荷載試驗進行評定，通過實際的荷載車輛加載，測定結(jié)構(gòu)的參數(shù)相應(yīng)，通過計算影響線和實測影響線的對比進行綜合評定。通過直觀地定性判斷這兩者隨荷載位置的變化趨勢是否一致以及定量判斷主要控制截面的實測響線數(shù)值和計算影響線之間數(shù)值相對大小，確定出直接評定因子。

式中：λ——直接評定因子；——計算影響線；y(k)——實測影響線；k——表示控制截面編號。

對于任意控制截面k，均有λ(k)＜0.8，則結(jié)構(gòu)的承載力可以適當(dāng)?shù)奶岣?；若其中某一個或多個控制截面j，有λ(j)＞1.2，則結(jié)構(gòu)的抗力效應(yīng)不滿足承載力要求，某一個或多個控制截面j，有 0.8≤λ(j)≤1.2，直接評定不能做出評定結(jié)論，可以進一步采用有限元模型修正評定法等方法進行評定。其中評定值0.8 和1.2 以及安全系數(shù)具體取值可根據(jù)該橋的實際情況而定。

（2）橋梁承載力評定的準則

結(jié)合橋梁現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范和承載力評定標準，如《公路橋梁承載力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ21-2011）、《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTGD60-2004），并結(jié)合上述4 種評估方法對橋梁承載力進行評定。

結(jié)構(gòu)承載能力的評估是通過結(jié)構(gòu)的分析獲取結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)，在獲得結(jié)構(gòu)恒載能力狀態(tài)下，根據(jù)荷載組合得到相應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)，從而將恒載與荷載的計算結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的設(shè)計抗力對比進行承載能力的評估。結(jié)構(gòu)狀態(tài)的描述可由下式表示：

式中，RD和RL分別表示恒載和活載效應(yīng)；Ra表示其他荷載效應(yīng)。由于RD和RL包含了評估時刻的溫度效應(yīng)，而該溫度效應(yīng)與設(shè)計中考慮的溫度效應(yīng)不一定相等，所以這里的中包括的溫度效應(yīng)是設(shè)計溫度效應(yīng)與評估時刻溫度效應(yīng)的差值；k表示應(yīng)力富裕度系數(shù)，根據(jù)橋梁設(shè)計情況、荷載試驗結(jié)果以及長期監(jiān)測結(jié)果而定；C 表示結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)?？梢愿鶕?jù)當(dāng)前狀態(tài)下應(yīng)力富裕度系數(shù)K 的大小實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)承載能力的評估。結(jié)構(gòu)的承載能力評估結(jié)果同樣分為四個等級，均直接對應(yīng)于管養(yǎng)的決策，具體如下表所示。

表3-1 結(jié)構(gòu)的承載能力評估分級

2.2.2 疲勞狀態(tài)的評估

考慮到橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中對各部件耐久性的評估在于結(jié)構(gòu)在所承受的設(shè)計活荷載作用下的疲勞狀態(tài)評估。

基于監(jiān)測系統(tǒng)的疲勞狀態(tài)評估的基本方法如下：

車輛荷載數(shù)值模擬流程

荷載模擬是通過動態(tài)稱重系統(tǒng)實測的車輛數(shù)據(jù)，分析統(tǒng)計規(guī)律，結(jié)合車輛荷載數(shù)值模擬和Monte-carlo 模擬方法，用計算機程序來模擬疲勞荷載譜。

疲勞監(jiān)測熱點區(qū)的獲?。?/p>

1）根據(jù)橋型特點和結(jié)構(gòu)分析獲取；

2）根據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力時程分析獲取。

應(yīng)力時程的標準樣本的獲?。?/p>

1）根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)獲得結(jié)構(gòu)時程數(shù)據(jù)。

2）根據(jù)提取的時程數(shù)據(jù)，獲取結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的荷載-應(yīng)力譜，對比結(jié)構(gòu)仿真分析結(jié)果進行修正。

3）對時程數(shù)據(jù)進行樣本分析，提取標準樣本。

2.2.3 專項評估

橋梁結(jié)構(gòu)專項評估，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體情況，針對特定專題項目進行結(jié)構(gòu)評估，如大風(fēng)、地震對橋梁結(jié)構(gòu)的影響評估、風(fēng)險評估等。專項評估采用人工離線評估，并撰寫評估報告上傳至評估報告管理系統(tǒng)。

2.2.4 離線評估報告

評估報告分為常規(guī)評估報告和專項評估報告，如下圖所示。常規(guī)評估報告是根據(jù)結(jié)構(gòu)管養(yǎng)需求定期進行承載能力評估、疲勞狀態(tài)評估生成的評估報告；專項評估報告是指系統(tǒng)出現(xiàn)報警和橋梁使用過程中發(fā)生特殊事件之后生成特殊事件（如大風(fēng)、地震）綜合評估報告。

3 總結(jié)

基于結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)進行準確的技術(shù)狀況評定是當(dāng)下結(jié)構(gòu)監(jiān)測研究的主要課題，也是當(dāng)下結(jié)構(gòu)監(jiān)測發(fā)展中需不斷更新和迭代的主要工作，同時還應(yīng)推進相關(guān)結(jié)構(gòu)試驗對健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的評估結(jié)果進行論證，從而進一步佐證結(jié)構(gòu)監(jiān)測的有效性。