橋梁自動化監(jiān)測閾值設(shè)定方法研究

朱彤

摘 要：本文主要介紹了已運(yùn)營橋梁自動化監(jiān)測閾值的確定方法，闡明了現(xiàn)階段橋梁監(jiān)測中閾值設(shè)定方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍和存在的弊端，提出了未來橋梁監(jiān)測閾值設(shè)定方法的發(fā)展和方向，對未來設(shè)定橋梁監(jiān)測閾值的方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了闡明。

關(guān)鍵詞：橋梁健康監(jiān)測、閾值、有限元

1.行業(yè)現(xiàn)狀

橋梁是交通運(yùn)輸系統(tǒng)中重要的組成部分，對于國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定和持續(xù)發(fā)展起著重要的作用，現(xiàn)役橋梁由于分布廣、數(shù)量多，養(yǎng)護(hù)不及時，受到自然環(huán)境侵蝕和材料老化等因素的影響，加之車輛荷載的長期效應(yīng)，超重車輛管控不嚴(yán)等因素，使橋梁結(jié)構(gòu)的安全性降低，導(dǎo)致出現(xiàn)安全事故的可能性的概率增加。

加強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測，時時掌握橋梁的運(yùn)行狀態(tài)，不僅關(guān)系到國家的經(jīng)濟(jì)命脈的暢通，而且也直接關(guān)系到人民群眾的生命財產(chǎn)安全。

合理設(shè)置閾值是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要一環(huán)，當(dāng)前橋梁健康監(jiān)測閾值設(shè)定方法有如下特點(diǎn)：

（1）普遍采用的預(yù)警方式為基于原始數(shù)據(jù)的多級閾值體系;

（2）閾值概念邏輯簡單，操作便捷，具有實(shí)用價值;

（3）閾值的確定往往缺乏可靠依據(jù);

（4）簡單對原始數(shù)據(jù)劃定閾值并不適用于所有類型的監(jiān)測指標(biāo)。

2.常用閾值確定方法

2.1依據(jù)規(guī)范設(shè)置閾值

依據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置閾值是目前設(shè)置監(jiān)測閾值最普遍采用的方法。其優(yōu)點(diǎn)是概念清晰明確，從理論上和工程上均具有一定的保障。其缺點(diǎn)是現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)監(jiān)測相關(guān)規(guī)范大都針對大橋、特大橋體系，而對于中小橋、特別是農(nóng)村公路橋梁并沒用相關(guān)閾值設(shè)定的規(guī)范，而且過去設(shè)計規(guī)范中的一些規(guī)定已經(jīng)不能很好的適應(yīng)結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀，閾值區(qū)間較大，相對偏于不保守。

大橋、特大橋結(jié)構(gòu)可依據(jù)監(jiān)測相關(guān)規(guī)范（例如《公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程 JT/T1037-2016》、《大跨度橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)警閾值標(biāo)準(zhǔn)》 T/CECS?529-2018等），其他橋梁可以參考上述規(guī)范，應(yīng)注意監(jiān)測方式是否與規(guī)范相符。

結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（例如《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》JTG 3362-2018 、《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》JTG D64-2015等）中的通用限值可作為嚴(yán)重等級的預(yù)警閾值，但應(yīng)特別注意限值所對應(yīng)的荷載工況及組合。

2.2依據(jù)設(shè)計資料設(shè)置閾值

設(shè)計值依據(jù)規(guī)范計算得到，能夠較準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)自身的特性，但其主要的缺點(diǎn)在于設(shè)計荷載與真實(shí)荷載模式不同;監(jiān)測數(shù)據(jù)包含復(fù)雜因素，無法準(zhǔn)確對應(yīng)到設(shè)計值;設(shè)計資料無法覆蓋實(shí)際測點(diǎn)，老舊橋梁資料缺失等問題。

該閾值設(shè)定的方法適用于各類橋梁，尤其適合于索力、撓度、自振頻率等指標(biāo)。需要特別注意理解設(shè)計值的含義，明確設(shè)計值所采用的荷載組合（是否包含自重等）以及對應(yīng)的橋梁建設(shè)階段（施工階段/成橋狀態(tài)），避免誤用

2.3依據(jù)有限元仿真設(shè)置閾值

依據(jù)有限元仿真設(shè)置的閾值是一些大型設(shè)計院和監(jiān)測單位使用較為普遍的方法，其優(yōu)點(diǎn)在于基于實(shí)際結(jié)構(gòu)建立成橋狀態(tài)模型，能夠更準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況，便于獲取傳感器所在位置處的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。其主要缺點(diǎn)也較為凸顯，設(shè)計荷載與真實(shí)荷載模式不同;監(jiān)測數(shù)據(jù)包含復(fù)雜因素，無法準(zhǔn)確對應(yīng)到設(shè)計值;細(xì)節(jié)資料不足，建模可能不準(zhǔn)確，特別是老舊橋梁經(jīng)過多年運(yùn)營后，材料結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷、老化，此時有限元建模計算的結(jié)果已不能反映出橋梁真實(shí)的受力狀態(tài)。

2.4依據(jù)檢測、荷載試驗(yàn)設(shè)置閾值

依據(jù)檢測、荷載試驗(yàn)設(shè)置閾值，其實(shí)質(zhì)上是基于實(shí)際橋梁測定，準(zhǔn)確性較高。其缺點(diǎn)是荷載試驗(yàn)為短期試驗(yàn)，主要反映活荷載作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，其測量內(nèi)容有限，無法覆蓋各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)，且針對個別橋梁，成本較高，不能作為行業(yè)內(nèi)通用的閾值標(biāo)準(zhǔn)。橋梁定檢報告中的索力、主梁線形等，可作為該橋梁監(jiān)測的基準(zhǔn)值。

2.5依據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征設(shè)置閾值

依據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征設(shè)定閾值的優(yōu)點(diǎn)：基于實(shí)際橋梁測定，準(zhǔn)確性較高

能夠有效控制報警事件發(fā)生的概率，其缺點(diǎn)主要有：需要通過試運(yùn)行積累大量的實(shí)際數(shù)據(jù)，且假定在試運(yùn)行階段結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯的損傷等異常情況，對于在試運(yùn)行階段已經(jīng)發(fā)生異常的情況無法及時發(fā)現(xiàn)。該閾值設(shè)定的方法適用于各類橋梁，一般采用歷史數(shù)據(jù)超越概率95%或者更高臨界值進(jìn)行控制，受長期效應(yīng)影響，閾值需要間隔一段時間進(jìn)行更新，但時間窗口的選擇方式比較主觀，該方法本身的合理性也仍在探討中。

通過以上閾值設(shè)定的方法可以對橋梁各種監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而判定橋梁的運(yùn)營狀態(tài)。影響橋梁結(jié)構(gòu)性能的因素往往具有較大的隨機(jī)性，所以基于概率的方法設(shè)定閾值是處理隨機(jī)性的有效工具，研究了橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測閾值設(shè)定方法未來的發(fā)展[1]。

3.閾值設(shè)定方法未來發(fā)展

對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后進(jìn)行預(yù)警，可以提供更為合理可信的預(yù)警結(jié)果，極大減輕運(yùn)維工作，避免大量無意義的錯誤預(yù)警。

3.1超越概率預(yù)警

超越概率預(yù)警是通過對一段時間的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計建模，得到其概率分布函數(shù)，再根據(jù)概率模型計算相應(yīng)的閾值區(qū)間，并對未來的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警，該閾值設(shè)定的方法適用于各種情況，以實(shí)際數(shù)據(jù)為驅(qū)動，更適合用于靜態(tài)數(shù)據(jù)。其存在的問題主要在于，預(yù)警效果取決于概率模型的建立是否合理：如通過一年以上的監(jiān)測數(shù)據(jù)建立的概率模型，基本能夠覆蓋各種環(huán)境條件的情況，但其閾值區(qū)間也必然較大，對于很多異常情況可能無法及時發(fā)現(xiàn)。如通過一個月的數(shù)據(jù)建立概率模型，當(dāng)不同月份之間溫度差異較大時，預(yù)警也會失效。因此需要將溫度引入概率模型的參數(shù)變量中，根據(jù)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)自動對概率模型的參數(shù)進(jìn)行修正。

3.2殘差預(yù)警

殘差預(yù)警是指對數(shù)據(jù)進(jìn)行長期效應(yīng)剝離后，將得到的高頻部分作為殘差，與活載作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)閾值比較后進(jìn)行預(yù)警。該方式主要適用于動態(tài)數(shù)據(jù)。對于靜態(tài)數(shù)據(jù)，由于不存在高頻成分，因此并不適用。其存在問題在于，預(yù)警效果取決于長期效應(yīng)剝離算法的實(shí)現(xiàn)。

3.3相關(guān)性預(yù)警

對于某些理論上應(yīng)當(dāng)具有相關(guān)性的指標(biāo)（例如結(jié)構(gòu)溫度與應(yīng)變、溫度與伸縮縫位移等），可以采用其相關(guān)系數(shù)來進(jìn)行預(yù)警。當(dāng)一段時間內(nèi)數(shù)據(jù)的相關(guān)性低于某一閾值后，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警。該方式對于動態(tài)及靜態(tài)數(shù)據(jù)均適用，指標(biāo)之間在理論上應(yīng)具有明確穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系[2]（例如溫度與位移等）。該預(yù)警方法存在問題在于可靠性和穩(wěn)定性尚未得到驗(yàn)證，無法區(qū)分是數(shù)據(jù)異常還是結(jié)構(gòu)異常，目前暫不推薦作為唯一的預(yù)警方式，而應(yīng)當(dāng)與其他預(yù)警方式配合進(jìn)行預(yù)警。

3.4回歸系數(shù)預(yù)警

對于一些具有明顯相關(guān)性的指標(biāo)，除了相關(guān)系數(shù)外，還可以進(jìn)一步采用線性回歸或多項(xiàng)式回歸方法建立指標(biāo)之間的統(tǒng)計模型。例如對于溫度與伸縮縫位移，回歸模型的系數(shù)代表著結(jié)構(gòu)測點(diǎn)溫度每變化1℃時伸縮縫位移的變化量。如果該系數(shù)發(fā)生了較為明顯的變化，則可能意味著結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常。

該方式主要關(guān)心長期影響，因此更適合于靜態(tài)數(shù)據(jù)，適用指標(biāo)包括與溫度高度相關(guān)的各類指標(biāo)、阻尼器及結(jié)構(gòu)加速度幅值等。

回歸模型的合理性是預(yù)警的關(guān)鍵。如模型不合理，則其回歸系數(shù)理論上就不穩(wěn)定，也無法用于預(yù)警。目前暫不推薦作為唯一的預(yù)警方式，而應(yīng)當(dāng)與其他預(yù)警方式配合進(jìn)行預(yù)警

3.5累積量預(yù)警

對于某些監(jiān)測指標(biāo)，除了其絕對變化量之外，累計量也是衡量結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能的重要指標(biāo)。例如伸縮縫位移，其累計行程代表著伸縮縫磨損的程度，而磨損程度與伸縮縫的壽命直接關(guān)聯(lián)。因此，建立監(jiān)測指標(biāo)累計量預(yù)警，能夠有針對性的對部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行預(yù)警。目前了解的應(yīng)用場景僅為伸縮縫位移，且針對大橋、特大橋比較有效。

其存在的問題，在于監(jiān)測時宜選擇合適的采樣頻率，已有的工程實(shí)踐推薦為1Hz，針對不同場景仍有待檢驗(yàn)。

4 結(jié)論

本文主要對橋梁自動化監(jiān)測閾值設(shè)定的方法從現(xiàn)階段常用閾值確定方法和未來發(fā)展方向兩方面進(jìn)行了闡述。闡明了現(xiàn)階段橋梁監(jiān)測中閾值設(shè)定方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍和存在的弊端，提出了未來橋梁監(jiān)測閾值設(shè)定方法的發(fā)展和方向，同樣對未來設(shè)定橋梁監(jiān)測閾值方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了闡明，鑒于本文提出的方法沒有實(shí)際項(xiàng)目予以驗(yàn)證，故閾值未來設(shè)定的方法還需進(jìn)一步研究，以確保得到的閾值真實(shí)準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)

[1]焦美菊，孫利民，李清富.基于檢測數(shù)據(jù)的橋梁結(jié)構(gòu)可靠性評估[J].《同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》2011.10

[2]李雪蓮.溫度與斜拉橋跨中撓度的相關(guān)性分析[J].城市道橋與防洪.2013.12.12