基于檢測(cè)大數(shù)據(jù)的既有橋梁病害關(guān)聯(lián)分析與技術(shù)狀況預(yù)測(cè)

曾過生、陳德華

（廣東省高速公路有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

鑒于改擴(kuò)建橋梁新、舊橋可能存在的差異壽命的問題，有必要明確既有橋梁實(shí)際結(jié)構(gòu)性能、結(jié)構(gòu)退化差異，并預(yù)測(cè)橋梁技術(shù)狀況，便于養(yǎng)護(hù)周期及養(yǎng)護(hù)策略的制定[1-2]。

眾多學(xué)者對(duì)既有橋梁的病害特征及技術(shù)狀況預(yù)測(cè)展開一定的研究。洪衛(wèi)星等[3]通過對(duì)橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)的多維度分析，研究了高速公路橋梁關(guān)鍵病害與環(huán)境等外因的關(guān)系。張陽(yáng)等[4]基于多階段的馬爾可夫鏈相關(guān)理論，利用空心板橋歷年檢查評(píng)定數(shù)據(jù)建立了橋梁技術(shù)狀況退化模型。姚文凡等[5]利用橋梁集群檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)322 座橋梁的病害特征進(jìn)行分析，構(gòu)建病害評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了橋梁病害與巡檢行為的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

依托茂湛高速公路橋梁病害檢查數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)方法分析線路既有橋梁技術(shù)狀況、病害等數(shù)據(jù)；對(duì)改擴(kuò)建橋梁病害關(guān)聯(lián)性分析，獲取典型病害間及其與橋梁間的關(guān)聯(lián)性；建立既有橋梁技術(shù)狀況多階段退化模型，預(yù)測(cè)橋梁技術(shù)狀況。

1 改擴(kuò)建病害數(shù)據(jù)分析

對(duì)橋梁定期檢查報(bào)告記錄的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究各線路中不同橋型、跨徑及橋梁病害的分布規(guī)律。

1.1 檢測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

依托沈海高速公路茂湛段，對(duì)廣東省典型高速公路的橋梁定期檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次挖掘應(yīng)用。其中，橋梁定期檢查數(shù)據(jù)時(shí)間包括2010—2020 年，每2 年1次，共6 次。

1.2 橋梁病害數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)的選取

數(shù)據(jù)挖掘選取直接關(guān)系到挖掘結(jié)果的可靠性，橋梁定期檢查報(bào)告中包含橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)的病害檢查結(jié)果及分析等。但對(duì)于改擴(kuò)建工程，既有橋梁上的橋面系結(jié)構(gòu)需重新布設(shè)，在對(duì)既有橋梁數(shù)據(jù)分析的過程中，僅分析上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)的相關(guān)病害情況。

1.2.2 數(shù)據(jù)的清洗

對(duì)橋梁定期檢查報(bào)告中存在的重復(fù)、缺失的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，采用以下方法：一是空缺數(shù)據(jù)的處理，忽略或選擇性刪掉缺失嚴(yán)重的數(shù)據(jù)。二是替換對(duì)應(yīng)值。對(duì)某一病害常采用定性表述，以數(shù)據(jù)值“-1”表征此數(shù)據(jù)項(xiàng)不為缺項(xiàng)。

1.2.3 數(shù)據(jù)的集成

同一部件可能存在多種病害，導(dǎo)致定期檢查中同一座橋梁有多條同類型病害記錄，主要采取以下方法處理：一是合并同座橋梁同一部件病害標(biāo)度較高的記錄，忽略其他低標(biāo)度病害記錄。二是簡(jiǎn)化相似記錄，以提高數(shù)據(jù)分析效率。

1.2.4 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

采用MATLAB 對(duì)廣東省典型高速路段的橋梁檢查評(píng)定大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并轉(zhuǎn)化為計(jì)算可識(shí)別的數(shù)值類型進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化處理。

1.3 橋梁結(jié)構(gòu)形式與技術(shù)狀況統(tǒng)計(jì)分析

1.3.1 橋涵結(jié)構(gòu)形式統(tǒng)計(jì)分析

茂湛高速公路共計(jì)313 座橋，不同跨徑橋梁的比例見圖1，不同結(jié)構(gòu)形式的比例見圖2。

圖1 茂湛高速公路橋梁最大跨徑的比例

圖2 茂湛高速公路橋梁結(jié)構(gòu)形式比例

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，茂湛高速公路中以單跨橋梁為主，占比較多的橋梁最多為單跨最大跨徑5m、8m 的橋梁，其次為單跨最大跨徑16m 的橋梁。茂湛高速公路上部結(jié)構(gòu)以梁式橋梁為主，其中預(yù)制空心板梁橋、整體式現(xiàn)澆板梁橋共計(jì)占比80.5%，而下部結(jié)構(gòu)中橋臺(tái)的類型大多為薄壁式橋臺(tái)、樁柱式橋臺(tái)。

1.3.2 橋梁技術(shù)狀況統(tǒng)計(jì)分析

茂湛高速公路橋梁歷年技術(shù)狀況等級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見圖3。

圖3 茂湛高速橋梁技術(shù)狀況等級(jí)變化情況

可知，各年茂湛高速公路的橋梁大多為一類橋或二類橋，未出現(xiàn)四類或五類等級(jí)的橋梁；該高速路段一類橋梁數(shù)量逐漸減少，而二類橋梁逐漸增多，可認(rèn)為該路段橋梁性能總體較好，但呈現(xiàn)一定的退化趨勢(shì)。

1.4 既有橋梁病害統(tǒng)計(jì)分析

1.4.1 不同橋型病害類型統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)茂湛高速內(nèi)占比較多的261 座中小跨徑橋梁進(jìn)行病害情況統(tǒng)計(jì)，以預(yù)制空心板梁橋（共139 座）為例（見圖4），可知：預(yù)制空心板梁橋的結(jié)構(gòu)整體性略次，其裂縫類的病害大多為“裂縫寬度δ＜0.15mm”的病害，但該類病害橋梁數(shù)的增加變化規(guī)律不明顯?；炷疗茡p類、鋼筋銹蝕類病害的橋梁數(shù)呈現(xiàn)明顯增長(zhǎng)的趨勢(shì)，甚至在2020 年空心板梁橋鋼筋銹蝕類病害的橋梁數(shù)達(dá)到各類橋梁總數(shù)的50%，可認(rèn)為該類橋梁病害呈現(xiàn)明顯惡化的趨勢(shì)。此外，存在環(huán)境侵蝕類病害的橋梁數(shù)總體偏多，雖呈現(xiàn)總體減少趨勢(shì)，但仍可能是引起橋梁病害惡化的誘因。

圖4 茂湛高速公路預(yù)制空心板梁橋主梁結(jié)構(gòu)病害類型分析

1.4.2 不同跨徑橋梁病害類型統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)不同橋梁最大跨徑，對(duì)茂湛高速中小跨徑橋梁病害分類分析。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析可知：小跨徑橋梁（l＜13m）混凝土開裂現(xiàn)象明顯，但多為小于0.15mm的微裂縫，但總體而言裂縫寬度、混凝土破損病害與跨徑大小的關(guān)系不明顯。出現(xiàn)鋼筋銹蝕的橋梁多為小跨徑橋梁（l＜13m），與其易出現(xiàn)混凝土開裂（δ ＜0.15mm）相對(duì)應(yīng)。其受環(huán)境侵蝕的比例也較大，這可能也是引起該類橋梁鋼筋銹蝕比例較大的原因。

2 改擴(kuò)建橋梁病害關(guān)聯(lián)分析

利用關(guān)聯(lián)規(guī)則算法，分別對(duì)茂湛高速上部承重結(jié)構(gòu)、下部墩臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行單因素、多因素病害關(guān)聯(lián)分析，可知：

上部結(jié)構(gòu)中，混凝土裂縫類病害、鋼筋銹蝕類病害易引起病害惡化；多類病害均會(huì)引起橋梁上部承重構(gòu)件混凝土較小裂縫（δ ＜0.15mm）；混凝土破損類病害會(huì)導(dǎo)致上部承重構(gòu)件較小裂縫（δ ＜0.15mm）、鋼筋銹蝕類病害現(xiàn)象。因此，在茂湛高速公路橋梁上部結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)管理過程中，應(yīng)注意混凝土破損病害的修復(fù)。

下部結(jié)構(gòu)中，各類混凝土、鋼筋病害均會(huì)引起橋梁下部墩臺(tái)結(jié)構(gòu)的性能退化；較大裂縫、混凝土破損類病害、鋼筋銹蝕類病害均會(huì)引起橋梁下部墩臺(tái)構(gòu)件混凝土較小裂縫的出現(xiàn)；較大裂縫、鋼筋銹蝕類病害均會(huì)引起橋梁下部墩臺(tái)構(gòu)件鋼筋銹蝕類病害的出現(xiàn)，且在兩者耦合作用下極易引起墩臺(tái)結(jié)構(gòu)的退化。

3 改擴(kuò)建橋梁技術(shù)狀況預(yù)測(cè)

依托茂湛高速公路，基于馬爾可夫鏈對(duì)典型橋梁和路段分別進(jìn)行項(xiàng)目級(jí)、線路級(jí)改擴(kuò)建橋梁技術(shù)狀況預(yù)測(cè)。

3.1 項(xiàng)目級(jí)橋梁技術(shù)狀況預(yù)測(cè)

以茂湛高速K3376+016 小橋右幅為例，項(xiàng)目級(jí)轉(zhuǎn)化概率矩陣如下所示：

計(jì)算驗(yàn)證提出的項(xiàng)目級(jí)轉(zhuǎn)化概率矩陣，見圖5。計(jì)算可知，2022 年橋梁仍為二類橋且退化至三類橋的概率大致為38.01%，與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果基本吻合。

圖5 項(xiàng)目級(jí)轉(zhuǎn)化概率矩陣驗(yàn)證結(jié)果

3.2 線路級(jí)橋梁技術(shù)狀況預(yù)測(cè)

將茂湛高速上全部中小跨徑橋梁作為新的統(tǒng)計(jì)母體，根據(jù)最近一次定期檢查評(píng)定確定初始狀態(tài)矩陣π(0)={0.0890,0.9110,0,0,0} ；并 基 于2010—2020 年 技術(shù)狀況確定概率轉(zhuǎn)移矩陣，如下：

可求得茂湛高速公路2022 年線路級(jí)橋梁技術(shù)狀況狀態(tài)期望值為2.0926，處于良好水平，與線路實(shí)際情況接近。預(yù)測(cè)5 年后線路級(jí)橋梁技術(shù)狀況等級(jí)期望值為2.2254，仍處于良好水平，需不斷提高養(yǎng)護(hù)管養(yǎng)力度，提高整條路線養(yǎng)護(hù)水平和通行服務(wù)水平。

4 結(jié)論

依托茂湛高速既有橋梁歷年檢測(cè)數(shù)據(jù)，利用MATLAB 對(duì)橋梁病害及其關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行深入分析與挖掘，并基于馬爾可夫鏈對(duì)改擴(kuò)建高速既有橋梁技術(shù)狀況進(jìn)行多層次預(yù)測(cè)。主要結(jié)論如下：

一是茂湛高速公路以5～8m 板梁橋?yàn)橹?，該路段橋梁性能總體較好，但呈現(xiàn)一定退化趨勢(shì)；病害主要以裂縫寬度δ＜0.15mm、混凝土破損為主，環(huán)境侵蝕可能是橋梁病害惡化誘因。

二是上部結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)管理應(yīng)注意混凝土破損病害的修復(fù)，下部結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)管理應(yīng)注意較大裂縫、鋼筋銹蝕類病害對(duì)墩柱退化的耦合作用。

三是構(gòu)建的轉(zhuǎn)化概率矩陣可用于茂湛高速橋梁技術(shù)狀況預(yù)測(cè)，且與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果吻合度較高，預(yù)測(cè)5年后橋梁技術(shù)狀況處于良好水平，但仍需不斷提高養(yǎng)護(hù)管養(yǎng)力度。