基于橋梁智能化監(jiān)測的撓度預測方法淺談

高聰

摘?要： 城市橋梁智能化監(jiān)測系統(tǒng)作為一種智能化監(jiān)測手段，可以高效的對橋梁進行整體或者局部的長期實時監(jiān)測。本文以海南瓊海市某城市橋梁的撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，根據(jù)橋梁撓度監(jiān)測值的周期性及趨勢性特點，分別基于多項式擬合和神經(jīng)網(wǎng)絡，提出了兩種撓度預測方法，可供類似工程參考借鑒。

關鍵詞： 智能化監(jiān)測;撓度變形;預測

【中圖分類號】U416.2?【文獻標識碼】A?【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.34.072

1?引言

城市橋梁作為市政基礎設施的重要組成部分，保障了市區(qū)內各區(qū)域間交通狀況的良好運營。但隨著城市經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，市區(qū)內交通運輸量不斷攀升，使得城市橋梁運輸壓力增大。同時橋梁服役時間的增長，也會導致橋梁主體結構材料產(chǎn)生劣化，此外，在諸如暴雨、臺風等惡劣自然災害的影響下，橋梁構件極易產(chǎn)生缺損或者破壞的可能性，從而降低橋梁的承載能力，更甚者引起傷亡事故的發(fā)生。

而橋梁智能化監(jiān)測系統(tǒng)通過將傳感技術、計算機軟硬件技術、通訊技術與土木工程技術相結合，實現(xiàn)了對橋梁整體、全面、長期的智能化監(jiān)測，進而有效的保障橋梁在服役期內的安全運營[1]。對于一般橋梁，常見的監(jiān)測參數(shù)主要包括三大類：荷載與環(huán)境激勵、結構自身特性及結構響應。其中，結構變形作為結構響應中較為直觀的一個參數(shù)，受到橋梁管養(yǎng)人員的較大關注。本文以海南省瓊海市某橋梁的撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，提出了幾種針對橋梁撓度變形的預測方法[2，3]。

2?工程概況

已知某橋梁在2019年1月24日至2019年5月29日的跨中沉降變形數(shù)據(jù)，如圖1所示。監(jiān)測期內，該橋撓度變化的大趨勢為隨時間推移，撓度變形呈增大趨勢;小趨勢為短期內，撓度變化規(guī)律具有周期性。

3?基于多項式擬合的數(shù)據(jù)預測

根據(jù)既有撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，撓度值會由于溫度或者荷載的周期性變化而表現(xiàn)出明顯的周期特征，并且在短期內每一天的撓度曲線形態(tài)差異不是很大。因此，可以根據(jù)任意7天的撓度曲線來預測第8天的撓度曲線。

（a）設任意連續(xù)7天的撓度數(shù)組分別為：y1，y2，y3，y4，y5，y6，y7。

（b）將上述七個數(shù)組合并成一個數(shù)組Y=[y1，y2，y3，y4，y5，y6，y7]，對應的時間序列也進行相同的操作T=[t;t;t;t;t;t;t]，其數(shù)組長度N=7×n。

（c）將上述兩個數(shù)組重新按照時間進行升序排列，得到兩個新的數(shù)組，記為：Y=[Y1，Y2，…，YN]和T=[T1，T2，…，TN]，其中N=7×n。

（d）采用多項式擬合的形式根據(jù)Y和T在時間序列t上插值，得到預測曲線：

y?*=polyfit（T，Y，t，m）

其中m為所用多項式的次數(shù)。

4?基于ELMAN神經(jīng)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)預測

神經(jīng)網(wǎng)絡的基本思路如下[4]：

選取N天為一個周期，用第1～N-1天的撓度預測第N天的撓度，用第2～N天的撓度預測第N+1天的撓度，依次類推。

根據(jù)既有撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)，取其中前80%為訓練樣本，后20%作為測試樣本，如圖3所示?？梢钥闯鲈贓LMAN網(wǎng)絡對于訓練集擬合情況良好，但對于測試集，存在一定范圍的誤差。這里認為隨著長期監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的日益增多，該神經(jīng)網(wǎng)絡的擬合效果會越來越好。

4?總結

橋梁的撓度變形是橋梁結構受力狀況的直觀表現(xiàn)，因此有必要在橋梁智能化監(jiān)測系統(tǒng)中深入對撓度監(jiān)測數(shù)值的處理研究工作。通過提取實際變形情況和預測未來變形規(guī)律，形成一套完善的橋梁變形狀況評估體系，有助于推動橋梁智能化監(jiān)測系統(tǒng)的進一步發(fā)展，從而更好的輔助橋梁管養(yǎng)部門科學化、高效化做好橋梁的養(yǎng)護維修工作，保障橋梁運營期安全。

參考文獻

[1]?周岳，朱毅，李高堂等.橋梁智能化健康監(jiān)測研究現(xiàn)狀分析[J].廣州建筑，2019（4）：3-7.

[2]?陸萍，王濤，韋躍，李競，吳海軍.時間序列模型在橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)預測中的應用[J].重慶科技學院學報（自然科學版），2018，20（06）：75-79.

[3]?宋福春，段繼鵬.基于時序分析的橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)預測研究[J].北方交通，2019（04）：5-7.

[4]?黃艷南.基于ELMAN橋梁損傷識別與監(jiān)測數(shù)據(jù)處理研究[D].東北大學，2014.