基于3A指標(biāo)的斜拉橋上部結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估

秦勁東 方圣恩 張瑋 黃學(xué)漾 郭新宇

摘 要：針對(duì)橋梁狀態(tài)評(píng)估過(guò)程中數(shù)據(jù)量大、分析困難的問(wèn)題，根據(jù)某斜拉橋的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用五度指標(biāo)評(píng)估方法對(duì)其上部結(jié)構(gòu)各部件進(jìn)行分析，提出一種基于權(quán)重系數(shù)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于評(píng)估斜拉橋上部結(jié)構(gòu)的整體安全狀態(tài)。針對(duì)現(xiàn)存橋梁評(píng)估方法中計(jì)算復(fù)雜的問(wèn)題，提出3A指標(biāo)，包括幅值偏移量、異常度和均值波動(dòng)。相對(duì)于五度指標(biāo)，新指標(biāo)的計(jì)算更便捷，更方便工程人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估。最后，用3A指標(biāo)對(duì)斜拉橋進(jìn)行評(píng)估，并將評(píng)估結(jié)果與五度指標(biāo)進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)3A指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果與五度指標(biāo)基本一致。

關(guān)鍵詞：橋梁狀態(tài)評(píng)估;3A指標(biāo);幅值偏移量;異常度;均值波動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：U446.3?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)：2096-6717（2022）03-0071-08

收稿日期：2021-05-02

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（52178276）

作者簡(jiǎn)介：秦勁東（1995- ），男，主要從事橋梁健康監(jiān)測(cè)研究，E-mail：jqqin001@163.com。

方圣恩（通信作者），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：shengen.fang@fzu.edu.cn。

Received：2021-05-02

Foundation item：National Natural Science Foundation of China （No. 52178276）

Author brief：QIN Jindong （1995- ）， main research interest： bridge health monitoring， E-mail： jqqin001@163.com.

FANG Shengen （corresponding author）， professor， doctorial supervisor， E-mail： shengen.fang@fzu.edu.cn.

Superstructure state evaluation of cable-stayed bridge using 3A indicators

QIN Jindong1a， FANG Shengen ， ZHANG Wei2， HUANG Xueyang2， GUO Xinyu1a

（1a. School of Civil Engineering; 1b. National & Local Joint Engineering Center for Seismic and Disaster and Informatization of Civil Engineering， Fuzhou University， Fuzhou 350108， P. R. China; 2. Fujian Academy of Building Research Co.， Ltd， Fuzhou 350108， P. R. China）

Abstract： To solve the problem of huge data and analysis paralysis in bridge state assessment，the Five Indices Method is used to analyze the superstructure components of a cable-stayed bridge according to monitored data. Then， a comprehensive evaluation index incorporating weight coefficients is proposed to evaluate the safety condition of the cable-stayed bridge superstructure based on the existing five indices. After that， to overcome the calculation difficulty in bridge evaluation activities， a series of 3A indicators are proposed and individually termed as the amplitude offset， the abnormal degree and the average value fluctuation. Compared with the previous five indices， the three new indicators require less computation， and thus， are more convenient for engineers to conduct on-site evaluation. The 3A indicators are used to evaluate the safety condition of the cable-stayed bridge， and the results are compared with the five indices.The analysis results show that the superstructure state of the cable-stayed bridge evaluated by the 3A indicators is basically consistent with the five indices.

Keywords： bridge state assessment; 3A indicators;amplitude offset; abnormal degree; average value fluctuation

大跨度橋梁通常承受荷載大、服役年限長(zhǎng)、重要性程度高，對(duì)安全性和耐久性都有很高的要求。橋梁在運(yùn)營(yíng)階段可能會(huì)受到環(huán)境、交通和人為等因素的影響而產(chǎn)生損傷，造成其破壞甚至坍塌，引發(fā)災(zāi)難性事故[1]。近年來(lái)，中國(guó)多地發(fā)生橋梁事故，造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，通過(guò)技術(shù)手段對(duì)橋梁的工作狀態(tài)和健康狀況做出診斷、識(shí)別和預(yù)測(cè)，并對(duì)其安全性和耐久性進(jìn)行評(píng)估，具有十分重要的意義。早期的橋梁評(píng)估主要是基于人工檢測(cè)方法，其檢測(cè)結(jié)果受人為因素影響較大，且不適用于復(fù)雜大跨橋梁結(jié)構(gòu)。所以，為更好地了解橋梁運(yùn)營(yíng)狀況，可通過(guò)安裝健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以實(shí)時(shí)獲取環(huán)境信息和結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息，并對(duì)橋梁健康狀態(tài)做出評(píng)估[2-4]。

很多學(xué)者在橋梁評(píng)估方面開(kāi)展了大量研究工作，主要用到可靠度理論[5-6]、層次分析法[7-9]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[10]、模糊理論[11-12]和有限元分析[13]等方法。但上述方法通常操作復(fù)雜、主觀性強(qiáng)，且不能充分利用橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，因此，需要挖掘監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的潛力，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁狀態(tài)的準(zhǔn)確評(píng)估。有學(xué)者提出將五度指標(biāo)[14]用于評(píng)估橋梁狀態(tài)，該指標(biāo)借鑒證券技術(shù)分析方法中的K線(xiàn)技術(shù)指標(biāo)，從安全度、承載度、異常度、振蕩度和動(dòng)向度5個(gè)方面對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對(duì)橋梁的狀態(tài)變化趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)[14]。

筆者針對(duì)某斜拉橋14 d的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，首先利用五度指標(biāo)[14]對(duì)斜拉橋的主梁、橋塔和斜拉索進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià);然后提出一種綜合評(píng)估指標(biāo)，判斷上部結(jié)構(gòu)狀態(tài);最后針對(duì)目前橋梁評(píng)估方法中計(jì)算復(fù)雜等問(wèn)題，提出一組新的指標(biāo)：3A指標(biāo)，包括Amplitude offset（幅值偏移量）、Abnormal degree（異常度）和Average value fluctuation（均值波動(dòng)），用于橋梁上部結(jié)構(gòu)的分部評(píng)價(jià)和綜合性評(píng)估，并將兩種指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證所提出指標(biāo)的合理性。

1 工程概況

某斜拉橋全長(zhǎng)453.0 m，跨徑布置為50 m+60 m+ 110 m+110 m+60 m+50 m。橋面總寬29.5 m=2.5 m（人行道）+9.75 m（行車(chē)道）+5.0 m（分隔帶）+9.75 m（行車(chē)道）+2.5 m（人行道）。主橋采用鋼拱塔斜拉橋結(jié)構(gòu)形式，主梁為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，主塔采用等腰梯形閉合截面鋼箱拱結(jié)構(gòu)。

因該橋結(jié)構(gòu)形式特殊，為保障安全性，運(yùn)營(yíng)多年后安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇受力較不利截面和變形較大截面作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象，包括主梁的跨中、1/4和3/4截面的振動(dòng)加速度。其中，主梁振動(dòng)采用加速度傳感器測(cè)量，布置于每跨跨中截面以及3#跨和4#跨的1/4、3/4截面，即B、D、F、G、H、K、L、M、O、Q截面（圖1），共計(jì)10個(gè)加速度傳感器。鋼拱塔振動(dòng)采用加速度傳感器測(cè)量，布置于拱塔U、V、W截面，每個(gè)截面外側(cè)各布置1個(gè)加速度傳感器，如圖2所示。斜拉索索力采用頻率法測(cè)量，索力傳感器附著于斜拉索表面，選取各索面最長(zhǎng)、最短和中間長(zhǎng)度的斜拉索作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，4索面共計(jì)12根，測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值

采用14 d的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該斜拉橋上部結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行分析。采集主梁、橋塔和斜拉索的加速度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行濾波降噪等預(yù)處理，其中，主梁和橋塔采用加速度時(shí)程數(shù)據(jù)，而索力數(shù)據(jù)經(jīng)模態(tài)參數(shù)識(shí)別后提取基頻和倍頻，參考《基于環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)的橋梁拉索索力測(cè)試方法》（DB31/T 973—2016）[15]，由式（1）計(jì)算索力值。最后，對(duì)主梁、橋塔和斜拉索的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算，得到表1～表3。

T=4mL2fnn2-n2EIπ2L2（1）

式中：T為索力，N;m為單位長(zhǎng)度拉索質(zhì)量;L為拉索的計(jì)算長(zhǎng)度，m;fn為第n階振動(dòng)頻率;n為拉索自振頻率的階數(shù);E為拉索鋼絲彈性模量;I為拉索截面抗彎慣矩，m4。

3 基于五度指標(biāo)的斜拉橋上部結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估

參考《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011）[16]，結(jié)合五度指標(biāo)[14]分析斜拉橋的監(jiān)測(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)，對(duì)上部結(jié)構(gòu)中的主梁、橋塔和斜拉索進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估。

3.1 安全度

利用實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)參數(shù)的最大值和最小值與設(shè)計(jì)計(jì)算值進(jìn)行比較，用于判別當(dāng)前監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用程度。規(guī)定安全度指標(biāo)不應(yīng)大于100%。

sfd=Vh×100（2）

式中：V為監(jiān)測(cè)參數(shù)實(shí)測(cè)值;h為監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)計(jì)允許的最大值;sfd為設(shè)計(jì)能力使用程度。

3.2 承載度

將本周期內(nèi)監(jiān)測(cè)參數(shù)HLA線(xiàn)圖（包含監(jiān)測(cè)參數(shù)最大值（High）、最小值（Low）和平均值（Avg））的極值幅度與過(guò)去若干周期的HLA線(xiàn)圖的極值幅度進(jìn)行比較，判別當(dāng)前周期內(nèi)監(jiān)測(cè)參數(shù)的極值變化程度，以此反映當(dāng)前結(jié)構(gòu)承載水平的增加或減少。默認(rèn)的承載度預(yù)警閾值為連續(xù)幾個(gè)周期內(nèi)≥100。

czd=h-lv（h，n）hv（h，n）-lv（h，n）×100（3）

式中：h為某周期內(nèi)監(jiān)測(cè)參數(shù)HLA線(xiàn)圖的最大值;hv（h，n）為最近n周期內(nèi)監(jiān)測(cè)參數(shù)HLA線(xiàn)圖的最大值;lv（h，n）為最近n周期內(nèi)監(jiān)測(cè)參數(shù)HLA線(xiàn)圖的最大值的最小值。

3.3 異常度

將本日內(nèi)監(jiān)測(cè)參數(shù)的平均值與最近n天的移動(dòng)平均值比較，判別當(dāng)前監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的波動(dòng)偏離程度。規(guī)定異常度指標(biāo)不超過(guò)0.15。

gl=|avg-ma（avg，n）|ma（h，n）-ma（l，n）（4）

式中：avg為某天監(jiān)測(cè)參數(shù)的平均值;ma（avg，n）為最近n天各天監(jiān)測(cè)參數(shù)平均值的移動(dòng)平均值;ma（h，n）為最近n天各天監(jiān)測(cè)參數(shù)線(xiàn)最大值的移動(dòng)平均值;ma（l，n）為最近n天各天監(jiān)測(cè)參數(shù)線(xiàn)最小值的移動(dòng)平均值;

3.4 振蕩度

計(jì)算出每個(gè)周期極值振蕩上下值，然后計(jì)算出不同周期的累積振蕩，再經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)加權(quán)平滑處理得到振蕩度指標(biāo)。通常情況下，振蕩度指標(biāo)在20～80之間，代表監(jiān)測(cè)對(duì)象平穩(wěn);大于80或小于20，需設(shè)置預(yù)警信號(hào)。

thi=max（hi，hi-1）

tli=min（loi，loi-1）（5）

式中：i為計(jì)算某周期測(cè)值數(shù)據(jù)振蕩上下值時(shí)該周期的編號(hào);thi為某周期測(cè)值相對(duì)于前一周期測(cè)值的向上值;tli為某周期測(cè)值相對(duì)于前一周期測(cè)值的向下值。

ACC1i=∑nk=n-2+1（avgk-tlk）∑nk=n-2+1（thk-tlk）=∑nk=n-1（avgk-tlk）∑nk=n-1（thk-tlk）

ACC2i=∑nk=n-7+1（avgk-tlk）∑nk=n-7+1（thk-tlk）=∑nk=n-6（avgk-tlk）∑nk=n-6（thk-tlk）

ACC3i=∑nk=n-14+1（avgk-tlk）∑nk=n-14+1（thk-tlk）=∑nk=n-13（avgk-tlk）∑nk=n-13（thk-tlk）（6）

式中：i為計(jì)算第i個(gè)周期的累積振蕩時(shí)當(dāng)天的編號(hào);k為循環(huán)變量;ACC1為最近n1周期內(nèi)測(cè)值的累積振蕩;ACC2為最近n2周期內(nèi)測(cè)值的累積振蕩;ACC3為最近n3周期內(nèi)測(cè)值的累積振蕩。

uos=ACC1×7×14+ACC2×2×14+7×14+2×

ACC3×2×714+2×7×100（7）

3.5 動(dòng)向度

根據(jù)多個(gè)周期中的均值進(jìn)行比較，尋求在此期間內(nèi)監(jiān)測(cè)參數(shù)的上升動(dòng)向與下降動(dòng)向，以透視出該測(cè)量值的變化方向、強(qiáng)弱和趨勢(shì)。長(zhǎng)期來(lái)看，動(dòng)向度指標(biāo)應(yīng)在25～75之間，大于75或小于25時(shí)可以設(shè)置預(yù)警。

ainj=avgj-avgj-1， avgj>avgj-1

adej=avgj-1-avgj， avgj<avgj-1（8）

式中：j為分析特定周期（第n周期）之前n1個(gè)周期到該周期內(nèi)從前往后各周期的編號(hào)。

當(dāng)avgj>avgj-1時(shí)，adej=0;當(dāng)avgj<avgj-1時(shí)，ainj=0。

sainn=∑nl=n-14+1ainl=∑nl=n-13ainl， ainl>0

saden=∑nl=n-13adel，????? adel>0（9）

式中：l為循環(huán)變量;sainn為第n周期之前n1個(gè)周期到該周期內(nèi)的累積升幅;saden為第n周期之前n1個(gè)周期到該周期內(nèi)的累積降幅。

RSI=sainnsainn+saden×100（10）

3.6 分部評(píng)估結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性，選取4#、5#和6#跨跨中、橋塔以及4#跨上游側(cè)的斜拉索，采用五度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，得到表4～表6。由評(píng)估結(jié)果可知：6#拉索的振蕩度指標(biāo)為82.65，不滿(mǎn)足指標(biāo)要求，而其他部件均滿(mǎn)足五度指標(biāo)要求。

3.7 上部結(jié)構(gòu)整體評(píng)估

3.7.1 評(píng)估規(guī)則

為評(píng)估斜拉橋上部結(jié)構(gòu)的整體狀態(tài)，結(jié)合五度指標(biāo)[14]提出了一個(gè)綜合評(píng)估指標(biāo)，將主梁、橋塔和斜拉索視為一個(gè)體系。

上部結(jié)構(gòu)評(píng)估過(guò)程中的一些因素，例如部件的種類(lèi)、指標(biāo)的使用方法等，都會(huì)影響最終評(píng)估結(jié)果。通過(guò)引入權(quán)重系數(shù)，將各類(lèi)部件結(jié)合在一起，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的綜合性評(píng)價(jià)。各部件的權(quán)重系數(shù)取值取決于其功能和重要程度，例如，斜拉索用于連接主梁和橋塔，其健康狀況直接影響橋梁上部結(jié)構(gòu)的安全，所以，其重要性高于主梁和橋塔。

在斜拉橋的所有拉索中，端錨索的長(zhǎng)度最大，其承受索力較大。當(dāng)端錨索發(fā)生破壞導(dǎo)致張力下降時(shí)，旁邊拉索數(shù)量較少，不能很好地分擔(dān)索力，這對(duì)上部結(jié)構(gòu)的整體受力不利，所以，索力數(shù)據(jù)取端錨索（6#索）的索力數(shù)據(jù)。由于所取斜拉索錨固于橋塔的南側(cè)，故橋塔振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)取塔頂和塔身一半南側(cè)位置的數(shù)據(jù)。主梁振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)取最不利點(diǎn)，即4#跨跨中位置。

使用五度指標(biāo)[14]對(duì)主梁、橋塔和斜拉索進(jìn)行評(píng)估時(shí)，五個(gè)指標(biāo)的重要程度不同。根據(jù)各指標(biāo)的重要程度，賦予各指標(biāo)不同的分值，各類(lèi)指標(biāo)及相應(yīng)分值見(jiàn)表7。五度指標(biāo)[14]中，由于安全度是反映使用程度的指標(biāo)，如果監(jiān)測(cè)響應(yīng)不滿(mǎn)足安全度指標(biāo)，意味著其超過(guò)了設(shè)計(jì)允許值，部件可能會(huì)損壞，所以規(guī)定部件若不滿(mǎn)足安全度指標(biāo)，直接判斷部件的狀態(tài)發(fā)生了惡化，需要進(jìn)行進(jìn)一步檢查和維修加固。

3.7.2 綜合評(píng)估步驟

評(píng)估步驟：

1）采集加速度數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理，獲取橋塔和主梁的加速度值，并換算斜拉索的索力值。

2）使用五度指標(biāo)[14]分別對(duì)斜拉橋上部結(jié)構(gòu)的各類(lèi)部件進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到表8。將主梁、橋塔和拉索的得分設(shè)為Pi（i=1，2，3），滿(mǎn)分為100分。若不滿(mǎn)足某類(lèi)指標(biāo)，則減去相應(yīng)的分?jǐn)?shù)。當(dāng)某類(lèi)部件得分低于60分或不滿(mǎn)足安全度指標(biāo)時(shí)，直接判定上部結(jié)構(gòu)體系安全性不足，不再進(jìn)入下一步。

3）設(shè)置主梁、橋塔和拉索的權(quán)重系數(shù)為ωi（i=1，2，3），將三者得分乘以權(quán)重系數(shù)后再相加，以此計(jì)算上部結(jié)構(gòu)的綜合得分TS。

TS=P1×ω1+P2×ω2+P3×ω3（11）

4）根據(jù)綜合得分判斷上部結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，得分與相應(yīng)的評(píng)估狀態(tài)見(jiàn)表9。

3.7.3 綜合評(píng)估結(jié)果

為研究權(quán)重系數(shù)取值對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響，將主梁、橋塔和斜拉索的權(quán)重系數(shù)設(shè)置為3組不同的比值，分別為0.3∶0.3∶0.4、0.25∶0.25∶0.5和0.2∶0.2∶0.6，經(jīng)計(jì)算，綜合評(píng)估指標(biāo)分別為94、92.5、91分。

可見(jiàn)，采用上述權(quán)重系數(shù)進(jìn)行評(píng)估，均得出該橋上部結(jié)構(gòu)在監(jiān)測(cè)的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有發(fā)生惡化的結(jié)論。取第2組權(quán)重系數(shù)進(jìn)行評(píng)估。

4 基于3A指標(biāo)的斜拉橋上部結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估

針對(duì)目前大跨度橋梁評(píng)估方法計(jì)算復(fù)雜、不便于工程現(xiàn)場(chǎng)人員理解和應(yīng)用、海量數(shù)據(jù)下處理實(shí)時(shí)性不佳等問(wèn)題，提出公式更簡(jiǎn)單、更便于現(xiàn)場(chǎng)快速計(jì)算的3A指標(biāo)，包括Amplitude offset（幅值偏移量）、Abnormal degree（異常度）和Average value fluctuation（均值波動(dòng)），以3種指標(biāo)的英文首字母命名。3A指標(biāo)公式簡(jiǎn)單、計(jì)算方便，方便工程人員理解和應(yīng)用，可用于對(duì)大跨度橋梁上部結(jié)構(gòu)各部件的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行快速判斷。

3A指標(biāo)與五度指標(biāo)[14]不同之處在于：主梁和橋塔的加速度數(shù)據(jù)均取絕對(duì)值，使評(píng)估中的計(jì)算過(guò)程得到簡(jiǎn)化。使用3A指標(biāo)評(píng)估斜拉橋上部結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，并將其與五度指標(biāo)[14]的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而提供一種評(píng)估大跨度橋梁上部結(jié)構(gòu)狀態(tài)的新方法。

4.1 Amplitude offset（幅值偏移量）

對(duì)主梁和橋塔的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，可以規(guī)定其超限閾值，用于判斷部件的狀態(tài)?；跀?shù)據(jù)中的最大值反映部件最不利狀態(tài)的特性，提出幅值偏移量指標(biāo)，用來(lái)分析相應(yīng)部件最大加速度的變化情況。若部件的最大加速度變化過(guò)大，就有超過(guò)規(guī)定閾值的可能，預(yù)示部件可能發(fā)生損傷。

斜拉索在上部結(jié)構(gòu)中是最重要的部件，而現(xiàn)實(shí)中索力是始終變化的。若拉索承受的索力過(guò)大，可能導(dǎo)致拉索的損壞。

幅值偏移量計(jì)算式為

Ao=max（h，n）-mean（h，n）mean（h，n）×100%（12）

式中：h為某個(gè)周期監(jiān)測(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)的最大值;max（h，n）為n個(gè)周期監(jiān)測(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)的最大值;mean（h，n）為n個(gè)周期監(jiān)測(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)最大值的平均值。

根據(jù)各部件重要性程度，規(guī)定主梁和橋塔的振動(dòng)加速度的幅值偏移量不應(yīng)超過(guò)25%，索力不應(yīng)超過(guò)10%。

4.2 Abnormal degree（異常度）

變異系數(shù)是概率分布離散程度的一個(gè)歸一化量度，定義為標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比。一般在比較兩組數(shù)據(jù)的離散程度時(shí)，由于測(cè)量尺度或量綱不同，直接使用標(biāo)準(zhǔn)差不合適，故采用變異系數(shù)來(lái)消除影響。

斜拉橋每日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不斷變化，為更好地研究數(shù)據(jù)的離散程度，提出異常度指標(biāo)來(lái)判斷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的異常程度，進(jìn)而掌握斜拉橋的運(yùn)營(yíng)狀況。

Ad=Smean（13）

式中：S為每日監(jiān)測(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差;mean為每日監(jiān)測(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)的平均值。

由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)受傳感器自身因素和外部激勵(lì)的影響較復(fù)雜，并考慮各部件的重要性，規(guī)定主梁和橋塔的異常度應(yīng)小于2.5，索力異常度應(yīng)小于0.1。

4.3 Average value fluctuation（均值波動(dòng)）

數(shù)據(jù)均值能反映大跨度橋梁在一段時(shí)間內(nèi)的基本狀態(tài)，為此提出均值波動(dòng)指標(biāo)，通過(guò)均值的波動(dòng)情況來(lái)判斷橋梁部件的狀態(tài)變化。

Avf1=max（a，n）-mean（a，n）mean（a，n）

Avf2=mean（a，n）-min（a，n）mean（a，n）（14）

式中：a為某個(gè)周期內(nèi)監(jiān)測(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)的均值;max（a，n）為n個(gè)周期內(nèi)監(jiān)測(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)均值的最大值;min（a，n）為n個(gè)周期內(nèi)監(jiān)測(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)均值的最小值;mean（a，n）為n個(gè)周期內(nèi)監(jiān)測(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)均值的平均值。

規(guī)定主梁和橋塔的加速度數(shù)據(jù)Avf1不應(yīng)大于35%，為保持部件的狀況穩(wěn)定，最大值和最小值不應(yīng)相差過(guò)大，即Avf1和Avf2之和不應(yīng)大于55%。

索力Avf1應(yīng)小于10%，Avf1和Avf2之和不應(yīng)大于15%。

4.4 基于3A指標(biāo)的斜拉橋上部結(jié)構(gòu)整體評(píng)估

4.4.1 綜合性評(píng)估

在3A指標(biāo)中，均值波動(dòng)指標(biāo)更能反映橋梁在一段時(shí)間內(nèi)的普遍狀態(tài)，因此，規(guī)定幅值偏移量、異常度和均值波動(dòng)指標(biāo)的分值分別為25、25、50分。

類(lèi)似五度指標(biāo)[14]的綜合評(píng)估方法，基于3A指標(biāo)的綜合性評(píng)估方法步驟：

1）采集加速度數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理，獲取橋塔和主梁的加速度絕對(duì)值以及拉索索力值。

2）使用3A指標(biāo)分別對(duì)大跨度橋梁上部結(jié)構(gòu)的各類(lèi)部件進(jìn)行評(píng)價(jià)，列于表10。將主梁、橋塔和拉索的得分設(shè)為Pi（i=1，2，3），滿(mǎn)分為100分。若不滿(mǎn)足某類(lèi)指標(biāo)，則減去相應(yīng)的分?jǐn)?shù)。當(dāng)部件得分低于50分時(shí)，直接判定上部結(jié)構(gòu)體系安全性不足，不再進(jìn)入下一步。

3）設(shè)置主梁、橋塔和拉索的權(quán)重系數(shù)為ωi（i=1，2，3），將三者得分乘以權(quán)重系數(shù)后再相加，以此計(jì)算上部結(jié)構(gòu)的綜合得分TS。

4）根據(jù)綜合得分判斷上部結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，得分與相應(yīng)的評(píng)估狀態(tài)見(jiàn)表9。

4.4.2 評(píng)估結(jié)果

對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，將主梁、橋塔和斜拉索的權(quán)重系數(shù)設(shè)置為0.25∶0.25∶0.5，綜合安全評(píng)估指標(biāo)得分

TS=75×0.25+100×0.25+100×0.5=93.75分

可見(jiàn)，斜拉橋的上部結(jié)構(gòu)處于健康狀態(tài)，在所監(jiān)測(cè)的時(shí)間內(nèi)其狀態(tài)沒(méi)有發(fā)生惡化。

4.5 評(píng)估分析比較

基于五度指標(biāo)[14]和3A指標(biāo)的綜合性狀態(tài)評(píng)估方法，均判斷斜拉橋的上部結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在研究的14 d時(shí)間內(nèi)，上部結(jié)構(gòu)的狀態(tài)沒(méi)有發(fā)生惡化。不同之處在于：五度指標(biāo)[14]評(píng)估中，斜拉索的振蕩度指標(biāo)不滿(mǎn)足要求;但是在3A指標(biāo)的評(píng)估中，主梁的幅值偏移量指標(biāo)不滿(mǎn)足要求，這意味著兩種指標(biāo)的側(cè)重點(diǎn)有所不同。

通過(guò)分析可得，3A指標(biāo)對(duì)主梁的要求高于斜拉索，而五度指標(biāo)[14]對(duì)斜拉索的要求更高。斜拉橋在運(yùn)營(yíng)階段會(huì)由于各種因素引起結(jié)構(gòu)損傷，進(jìn)一步導(dǎo)致索力下降，通?？蓪?duì)其進(jìn)行更換來(lái)保證橋梁安全。而主梁作為永久部件，發(fā)生損傷時(shí)不可輕易更換，其重要性會(huì)隨時(shí)間而增加。因此，當(dāng)所評(píng)估橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，更適合使用3A指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。

5 結(jié)論

針對(duì)目前大跨度橋梁狀態(tài)評(píng)估時(shí)數(shù)據(jù)處理量大、評(píng)價(jià)困難的難題，提出了3A指標(biāo)和綜合安全評(píng)估指標(biāo)，對(duì)某斜拉橋的上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)與已有的五度指標(biāo)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了所提指標(biāo)的可行性和合理性。

1）提出的3A指標(biāo)（幅值偏移量、異常度、均值波動(dòng)）公式簡(jiǎn)單易懂，計(jì)算方便，便于工程人員現(xiàn)場(chǎng)快速判斷橋梁狀況。

2）不僅對(duì)斜拉橋上部結(jié)構(gòu)各部件進(jìn)行評(píng)價(jià)，還將各類(lèi)部件視為一個(gè)整體，根據(jù)各部件的重要性賦予不同的權(quán)重系數(shù)，評(píng)估方法更全面。

3）對(duì)斜拉橋上部結(jié)構(gòu)的評(píng)估結(jié)果與已有五度指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果基本一致，可為類(lèi)似大跨度橋梁的狀態(tài)評(píng)估提供方法依據(jù)。參考文獻(xiàn)：

[1]? SARMADI H， ENTEZAMI A， SAEEDI RAZAVI B， et al. Ensemble learning-based structural health monitoring by Mahalanobis distance metrics [J]. Structural Control and Health Monitoring， 2021， 28（2）： e2663.

[2] 孫宗光， 陳一飛. 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)分析與評(píng)價(jià)[M]. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2017.

SUN Z G， CHEN Y F. Health monitoring analysis and evaluation for bridge structures [M]. Beijing： China Architecture & Building Press， 2017. （in Chinese）

[3] 孫利民， 尚志強(qiáng)， 夏燁. 大數(shù)據(jù)背景下的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)， 2019， 32（11）： 1-20.

SUN L M， SHANG Z Q， XIA Y. Development and prospect of bridge structural health monitoring in the context of big data [J]. China Journal of Highway and Transport， 2019， 32（11）： 1-20. （in Chinese）

[4] 單德山， 羅凌峰， 李喬. 橋梁健康監(jiān)測(cè)2019年度研究進(jìn)展[J]. 土木與環(huán)境工程學(xué)報(bào)（中英文）， 2020， 42（5）： 115-125.

SHAN D S， LUO L F， LI Q. State-of-the-art review of the bridge health monitoring in 2019 [J]. Journal of Civil and Environmental Engineering， 2020， 42（5）： 115-125. （in Chinese）

[5] LI H， LI S， OU J P， et al. Reliability assessment of cable-stayed bridges based on structural health monitoring techniques [J]. Structure and Infrastructure Engineering， 2012， 8（9）： 829-845.

[6] CHEN X H， OMENZETTER P. A framework for reliability assessment of an in-service bridge using structural health monitoring data [J]. Key Engineering Materials， 2013， 558： 39-51.

[7] JAMALI S， CHAN T H， NGUYEN A， et al. Reliability-based load-carrying capacity assessment of bridges using structural health monitoring and nonlinear analysis [J]. Structural Health Monitoring， 2019， 18（1）： 20-34.

[8] 胡健勇， 蘇木標(biāo). 基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的鐵路橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)估[J]. 石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2016， 29（3）： 39-44.

HU J Y， SU M B. Assessment of the health status of railway bridge structure based on monitoring data [J].Journal of Shijiazhuang Tiedao University （Natural Science Edition）， 2016， 29（3）： 39-44. （in Chinese）

[9] 路雙， 張永水. 橋梁健康監(jiān)測(cè)撓度評(píng)估方法應(yīng)用[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2013， 32（6）： 1133-1136.

LU S， ZHANG Y S. Application of assessment methods of bridge health monitoring deflection [J]. Journal of Chongqing Jiaotong University （Natural Science）， 2013， 32（6）： 1133-1136. （in Chinese）

[10] CHENG Y C， GUO H B， WANG X Q， et al. Durability assessment of reinforced concrete bridge based on fuzzy neural networks [J]. Advanced Materials Research， 2013， 838-841： 1069-1072.

[11] SRINIVAS V， SASMAL S， KARUSALA R. Fuzzy based decision support system for condition assessment and rating of bridges [J]. Journal of the Institution of Engineers （India）： Series A， 2016， 97（3）： 261-272.

[12] HAN L Z， ZHANG J Q， YANG Y. Comprehensive fuzzy assessment on the life-cycle environment impact of bridges [J]. Applied Mechanics and Materials， 2014， 522/523/524： 122-131.

[13] 王瑀， 荊國(guó)強(qiáng)， 王波. 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在線(xiàn)結(jié)構(gòu)分析及狀態(tài)評(píng)估方法[J]. 橋梁建設(shè)， 2014， 44（1）： 25-30.

WANG Y， JING G Q， WANG B. Online structural analysis and state evaluation method for bridge health monitoring system [J]. Bridge Construction， 2014， 44（1）： 25-30. （in Chinese）

[14] 張宇峰， 李賢琪. 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估[M]. 上海： 上海科學(xué)技術(shù)出版社， 2018.

ZHANG Y F， LI X Q. Bridge structure health monitoring & condition assessment [M]. Shanghai： Shanghai Scientific & Technical Publishers， 2018. （in Chinese）

[15] 上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.基于環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)的橋梁拉索索力測(cè)試方法： DB31/T 973—2016 [S]. 2016.

Shanghai Municipal Bureau of Quality and Technical Supervision. Cable tension measurement of bridge with ambient vibration method： DB31/T 973-2016 [S]. 2016. （in Chinese）

[16] 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院. 公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)： JTG/T H21—2011 [S]. 北京： 人民交通出版社， 2011.

Research Institute of Highway Ministry of Transport. Standards for technical condition evaluation of highway bridges： JTG/T H21-2011 [S]. Beijing： China Communication Press， 2011. （in Chinese）

（編輯 胡玲）