基于撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的在役橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)估方法研究

張永平， 王潤(rùn)建

(1.嘉興市交通投資集團(tuán)有限責(zé)任公司， 浙江 嘉興 314050； 2.北京公科固橋技術(shù)有限公司， 北京市 100088)

在橋梁結(jié)構(gòu)中，主梁撓度能夠真實(shí)反映橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀況，它在荷載作用及外界環(huán)境的共同作用下可以對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的情況做出及時(shí)響應(yīng)，且撓度參數(shù)不易被外在環(huán)繞噪聲淹沒、對(duì)結(jié)構(gòu)損傷敏感等，為此在橋梁健康監(jiān)測(cè)中，把撓度作為關(guān)鍵的監(jiān)測(cè)參數(shù)。

橋梁結(jié)構(gòu)撓度是整體響應(yīng)參數(shù)，橋梁結(jié)構(gòu)在各種荷載和環(huán)境作用下的性能以及橋梁結(jié)構(gòu)自身材料的變異，都可通過撓度反映出來。建成投入運(yùn)營后的橋梁撓度變形按其產(chǎn)生的原因主要包括：① 混凝土收縮、徐變、材質(zhì)劣化等內(nèi)因引起的結(jié)構(gòu)永久撓度變形；② 構(gòu)件開裂、構(gòu)件間距連接損傷(鉸縫損傷、簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)的現(xiàn)澆段損傷等)引起的撓度變形；③ 溫度等作用引起的撓度變形；④ 車輛荷載(包括人群荷載等)作用引起的撓度變形。在上述4個(gè)方面撓度成分中，其中第①和第②部分原則上對(duì)采樣頻率的要求很少，通常以小時(shí)甚至以天為單位進(jìn)行采集也可獲得較好的數(shù)據(jù)結(jié)果；對(duì)于溫度引起的撓度變形項(xiàng)，在非極端溫度突變的一般情況下，通常以10 min～1 h為單位進(jìn)行采樣，也可測(cè)定溫度引起的撓度變形成分。車輛過橋過程中，其撓度變形成分包含車輛自重荷載下靜態(tài)效應(yīng)分量和車輛激振下動(dòng)態(tài)響應(yīng)分量，對(duì)中小跨徑橋梁而言，需要以毫秒為單位進(jìn)行采集，才能得到車輛過橋真實(shí)的變形。

對(duì)在役公路橋梁結(jié)構(gòu)撓度變形監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)的指標(biāo)特征以及當(dāng)前在這一領(lǐng)域所用的傳感器類別，分為3種模式：① 采用靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，對(duì)測(cè)試關(guān)鍵部位靜態(tài)成分進(jìn)行測(cè)量；② 采用測(cè)振傳感器、僅測(cè)試關(guān)鍵部位的動(dòng)態(tài)撓度變形；③ 采用動(dòng)靜態(tài)位移傳感器(如磁致伸縮位移傳感器、差動(dòng)變壓式位移傳感器、激光位移傳感器等)對(duì)包括靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)撓度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

目前，由于新型實(shí)用技術(shù)推廣的滯后性，大多數(shù)在役中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)仍采用①的模式進(jìn)行撓度監(jiān)測(cè)，只采集結(jié)構(gòu)的靜態(tài)響應(yīng)。該文針對(duì)模式③采集的實(shí)時(shí)高頻監(jiān)測(cè)撓度數(shù)據(jù)，重點(diǎn)研究在役橋梁結(jié)構(gòu)撓度高頻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理和基于撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的橋梁結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法。

1 橋梁撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法

1.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

橋梁結(jié)構(gòu)撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)在外界環(huán)境、車輛荷載等作用下的反映，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析、評(píng)價(jià)及異常事件預(yù)警的重要依據(jù)。在外界因素作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)通常是一種非線性非平穩(wěn)的信號(hào)，在信號(hào)采集過程中，因受到傳感器布設(shè)方式、傳感器性能、采集電路等方面的影響，往往存在信號(hào)基線隨機(jī)偏移現(xiàn)象，這種隨機(jī)偏移將不可避免地影響以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)價(jià)、安全預(yù)警等的準(zhǔn)確性。基線漂移信號(hào)整體上表征為一種混雜于正常采集信號(hào)中的低頻噪聲，這種噪聲會(huì)影響正確解析采集信號(hào)，進(jìn)而可能導(dǎo)致車輛荷載下評(píng)價(jià)誤判的嚴(yán)重后果。

針對(duì)這一問題，提出一種結(jié)合突變點(diǎn)檢測(cè)和穩(wěn)健回歸的自適應(yīng)基線校正方法，僅需對(duì)橋梁監(jiān)測(cè)信號(hào)時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，即可識(shí)別突變點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)并形成數(shù)據(jù)分段；然后，用穩(wěn)健回歸分析確定突變時(shí)間段內(nèi)的基線數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)基線的自動(dòng)校正。

突變點(diǎn)檢測(cè)曼-肯德爾(Manner-Kendall)非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，適用于非線性非平穩(wěn)時(shí)間序列趨勢(shì)變化研究和突變點(diǎn)檢測(cè)。對(duì)于具有n個(gè)樣本量的事件序列{x1，x2，…，xn}，構(gòu)造一個(gè)秩序列ri，ri為xi>xj(1≤j≤i)的樣本累積數(shù)，定義樣本累計(jì)數(shù)秩和sk為：

(1)

其中：

(2)

在時(shí)間序列定義為隨機(jī)的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量：

(3)

式中:UF1=0，E(sk)和Var(sk)分別為sk的均值和方差，且x1，x2，…，xn互相獨(dú)立時(shí)，它們具有相同連續(xù)分布，可由下式計(jì)算：

(4)

由此，UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，通過正態(tài)分布表可得到與給定的顯著水平α對(duì)應(yīng)的臨界值Uα，若UFk>Uα則表明時(shí)間序列存在明顯的趨勢(shì)變化。

再按時(shí)間序列的逆序(xn，xn-1，…，x1)，重復(fù)上述過程，并且令UBk>-UFk(k=n，n-1，…，1)，UB1=0。

圖1、2中撓度監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)在11：24產(chǎn)生了突變，基準(zhǔn)線上移，在兩突變點(diǎn)之間，采用穩(wěn)健回歸分析方法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合。

圖1 監(jiān)測(cè)基線數(shù)據(jù)

由圖2可以看出：該種校正算法克服了傳統(tǒng)的曲線回歸嚴(yán)重依賴波形函數(shù)、分析基函數(shù)等所帶來的結(jié)果不確定的缺陷，尤其具有明確的統(tǒng)計(jì)意義上的可靠性評(píng)價(jià)。

圖2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作用效應(yīng)擬合結(jié)果

1.2 結(jié)構(gòu)撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析利用方法

1.2.1 最大響應(yīng)值分析

由于實(shí)際的運(yùn)營荷載為隨機(jī)荷載，所以各測(cè)點(diǎn)的位移響應(yīng)峰值也具有隨機(jī)性。以位移響應(yīng)峰值作為參考，判斷結(jié)構(gòu)的承載能力。具體形式可用下式表示：

fmax<[f]

(5)

式中：fmax為運(yùn)營荷載作用下結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)位移最大峰值；[f]為設(shè)計(jì)荷載作用下結(jié)構(gòu)理論位移值。

1.2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期變化趨勢(shì)分析

將橋梁結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)和劣化效應(yīng)的歷史信息分別構(gòu)成一個(gè)隨機(jī)過程Z={Z0、Z1、Z2、Z3、…、Zn、…}，表示為：

Zi=μ+ξi

(6)

式中：μ為過程均值；ξi為隨機(jī)變化的參量。

如圖3所示，剔除車輛荷載作用后，當(dāng)結(jié)構(gòu)處于正常狀態(tài)時(shí)，μ不變，ξi隨溫度作用呈隨機(jī)變化，反映的是溫度作用導(dǎo)致的主梁上拱或下?lián)?，Zi在一定范圍內(nèi)變化。當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷或有安全問題時(shí)，Zi的變化幅度持續(xù)增大，過程均值出現(xiàn)持續(xù)的不可恢復(fù)的單向變化趨勢(shì)。因此，通過對(duì)這個(gè)過程的統(tǒng)計(jì)分析，監(jiān)測(cè)這個(gè)過程均值是否出現(xiàn)不可恢復(fù)的單向變化趨勢(shì)，即可評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的安全情況。

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)示意圖

1.2.3 基于撓度校驗(yàn)系數(shù)的結(jié)構(gòu)剛度評(píng)估分析

該項(xiàng)目將車輛稱重系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和車輛荷載作用下的撓度響應(yīng)綜合進(jìn)行分析，通過考察較重車輛作用下的校驗(yàn)系數(shù)，分析橋梁整體剛度性能。

(1) 分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的主梁撓度響應(yīng)數(shù)據(jù)。選取一天監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的主梁跨中撓度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到主梁撓度的實(shí)測(cè)值。

(2) 計(jì)算實(shí)際車輛荷載下的主梁撓度響應(yīng)。在假定車輛不加減速、不變道、不超車的情況下，選取典型車輛的荷載數(shù)據(jù)，施加到有限元模型上，得到主梁的跨中計(jì)算撓度。

(3) 將計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到校驗(yàn)系數(shù)，分析主梁的整體剛度。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某橋上部結(jié)構(gòu)主橋?yàn)?38+2×50+38) m等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。橫向布置為0.5 m(護(hù)欄)+11 m(行車道)+0.5 m(護(hù)欄)，橋面全寬12 m，橋面凈寬11 m。設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20級(jí)、掛車-120。該橋于2008年1月通車運(yùn)行。主橋撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意如圖4、5所示。

圖4 第5聯(lián)位移測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面示意圖(單位：cm)

圖5 第5聯(lián)位移測(cè)點(diǎn)橫向布置示意圖(單位：cm)

在橋頭附近布設(shè)一套兩車道動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，在稱重系統(tǒng)后部20 m處安裝視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)全橋的車輛荷載。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果

首先采用1.1節(jié)的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除異常值、離群點(diǎn)，對(duì)車輛荷載效應(yīng)和溫度效應(yīng)進(jìn)行分離，結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 溫度作用響應(yīng)

圖7 車輛荷載作用效應(yīng)

2.2.2 結(jié)構(gòu)安全評(píng)估分析結(jié)果

(1) 撓度最大響應(yīng)值實(shí)時(shí)在線預(yù)警

通過對(duì)采集的2019年8月1日至2020年6月31日各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到上述時(shí)段內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的撓度最大值，見表1。

表1 主梁撓度測(cè)點(diǎn)報(bào)警次數(shù)及峰值點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

續(xù)表1

由表1可知：各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的撓度值在正常范圍內(nèi)，未發(fā)生影響結(jié)構(gòu)安全或使用功能的變形。

(2) 溫度作用下的主梁恒載線形分析

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)撓度指標(biāo)所含溫度效應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)基本不變的特點(diǎn)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)過程的分析，判斷有無車輛過橋，以無車輛過橋時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為溫度效應(yīng)值，該值不包含車輛荷載效應(yīng)，數(shù)據(jù)接近真實(shí)狀態(tài)，可以對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮，僅保留溫度荷載效應(yīng)數(shù)據(jù)和車輛荷載響應(yīng)數(shù)據(jù)，節(jié)省了系統(tǒng)存儲(chǔ)空間，便于后期根據(jù)監(jiān)測(cè)信號(hào)的時(shí)間尺度特點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)也保證了車輛過橋荷載效應(yīng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，為重車過橋?qū)崟r(shí)預(yù)警及結(jié)構(gòu)損傷離線預(yù)警提供了真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述理論對(duì)各測(cè)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)(2019年8月1日至2020年7月30)隨溫度變化撓度變化量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2，典型溫度效應(yīng)時(shí)程曲線如圖8所示。

表2 監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)測(cè)點(diǎn)隨溫度變化撓度變化量統(tǒng)計(jì)

由圖8可以看出:監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，測(cè)點(diǎn)位置隨溫度變形較小，撓度最大變化量為2.72 mm，從監(jiān)測(cè)曲線來看無明顯的不可逆轉(zhuǎn)的單向變形趨勢(shì)，故可認(rèn)為監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)該橋主梁恒載線形無明顯變化。

圖8 典型測(cè)點(diǎn)不同時(shí)間尺度下溫度效應(yīng)時(shí)程曲線

(3) 基于撓度校驗(yàn)系數(shù)的結(jié)構(gòu)剛度評(píng)估分析

選取2019年10月11日01:15—01:35和2019年11月27日06:30—06:50的車輛信息作為分析對(duì)象，該時(shí)段內(nèi)有1輛滿足條件的車經(jīng)過，該車為6軸車，總重63.1 t，到達(dá)稱重系統(tǒng)的時(shí)間為01:23:22。

將選取的63.1 t的車輛信息包括車軸距及車軸重等信息加到原橋的Midas模型上，得出主梁的計(jì)算撓度，將計(jì)算撓度與實(shí)測(cè)撓度進(jìn)行比較，得出校驗(yàn)系數(shù)，見表3。

由表3可知：各跨跨中位置撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.36～0.56，均小于1，說明監(jiān)測(cè)橋跨結(jié)構(gòu)剛度滿足要求，橋梁結(jié)構(gòu)整體工作性能良好。

表3 校驗(yàn)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語

通過對(duì)中小跨徑橋梁撓度成分分析，提出了一種結(jié)合突變點(diǎn)檢測(cè)和穩(wěn)健回歸的自適應(yīng)基線校正方法，實(shí)現(xiàn)了車輛荷載作用效應(yīng)和溫度作用效應(yīng)的實(shí)時(shí)分離，能實(shí)現(xiàn)重車過橋?qū)崟r(shí)預(yù)警及結(jié)構(gòu)損傷離線預(yù)警，并綜合動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)對(duì)橋梁整體剛度進(jìn)行了評(píng)估。該文基于撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析方法和思路可為類似橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析提供借鑒和參考。