基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁運營安全狀態(tài)評估

中圖分類號U446 文獻標識碼A文章編號 2096-8949（2025）08-0010-03

0 引言

橋梁是重要的交通基礎設施，其運營安全性至關重要。傳統(tǒng)橋梁安全檢測方法通常依賴人工巡檢，效率低、成本高且難以實時反映橋梁的實際運行狀態(tài)。近年來，隨著傳感器技術的發(fā)展，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)得到廣泛應用，通過實時獲取橋梁的應變、位移、溫度等關鍵參數(shù)，為橋梁的運營安全提供更加科學精準的評估手段[1]。該文探討了基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁運營安全狀態(tài)評估方法，旨在為橋梁的日常維護和加固決策提供科學依據(jù)。

1 工程概況

某地鐵線路全長 4 0 . 5 k m ，覆蓋市區(qū)多個重要交通節(jié)點。地面線與高架橋部分位于中心城區(qū)，全長 0該段高架橋（不含斜拉橋）共有8座橋臺，14座橋墩，總計跨越22個支撐點。主要橋型為簡支T梁，跨五環(huán)大橋、黃岐大橋等重要橋梁，其中五環(huán)大橋為典型跨越性橋梁，采用長跨度設計，單跨長達

2 監(jiān)測指標及方案

該地鐵橋梁運營安全狀態(tài)監(jiān)測重點包括梁體應力監(jiān)測、梁體位移監(jiān)測、環(huán)境溫度監(jiān)測。

2.1 應變測試

應變測試是橋梁健康監(jiān)測中的重要環(huán)節(jié)，用于實時評估梁體在荷載作用下的變形情況及結構安全性。該地鐵橋梁應變監(jiān)測采用光纖布拉格光柵（FBG）傳感器和應變片兩種技術手段，分別對不同類型的橋梁構件進行監(jiān)測。

首先，在橋梁關鍵部位（如橋墩頂、橋臺底、梁端和橋梁跨中位置）設置應變監(jiān)測點。對于簡支T梁橋型，選取橋梁兩端和跨中的3個位置共計6個監(jiān)測點，通過光纖布拉格光柵傳感器進行應變數(shù)據(jù)采集。這些傳感器具有高精度、抗干擾性強和耐環(huán)境惡劣條件的優(yōu)點，能夠?qū)崟r采集應變數(shù)據(jù)并通過光纖傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)[]。其次，在橋梁施工過程中，將應變片黏貼在梁體表面，監(jiān)測梁體表面應變變化。每個應變片都配備數(shù)據(jù)采集裝置，實時讀取應變信號，轉換為應力值。應變片的安裝精度控制在 以內(nèi)，以確保監(jiān)測結果的準確性和可靠性。

應力監(jiān)測方案的核心是通過應變與材料的應力一應變關系進行數(shù)據(jù)轉換。假設梁體材料為普通鋼筋混凝土，采用線性彈性假設，其應力與應變的關系可通過以下公式計算：

式中， σ —應力（ ； E —混凝土的彈性模量（GPa）（取值為 3 0 G P a ）； ε —應變值。在監(jiān)測過程中，設定應變閾值為0.002，超過該閾值時，系統(tǒng)將觸發(fā)預警機制，提醒結構可能出現(xiàn)的危險情況。

為確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，須對每個應變測試點的數(shù)據(jù)進行周期性采樣，記錄峰值、均值，評估梁體在不同負載下的應力變化情況。綜合分析應力數(shù)據(jù)，評估橋梁的承載能力、使用安全性。

2.2 豎向位移監(jiān)測

豎向位移監(jiān)測用于檢測橋梁在車輛荷載、溫度變化以及長期使用過程中可能發(fā)生的沉降、變形等問題，幫助工作人員及時發(fā)現(xiàn)結構異常，提前采取維護措施，保障橋梁的使用安全。該地鐵橋梁采用激光位移傳感器、位移傳感器、全站儀等設備采集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.3溫度監(jiān)測

溫度波動對橋梁結構的影響主要體現(xiàn)在熱脹冷縮效應上。由于橋梁通常由鋼筋混凝土材料構成，溫度變化會導致材料脹縮過程中發(fā)生變形，尤其是跨度較大的橋梁，溫度引起的變化會影響整體穩(wěn)定性。該地鐵高架橋的主要橋型為簡支T梁，其設計跨越五環(huán)大橋、黃岐大橋等重要橋梁，溫度引起的應力變化可能導致橋梁裂縫、沉降等問題，嚴重時可能危及橋梁結構安全[4。因此，溫度是必須考慮的重要因素。為有效監(jiān)測溫度變化對橋梁結構的影響，該工程采用多種類型的溫度傳感器，包括MicronOpticssml30光纖溫度傳感器、Omega 型熱電偶。

2.4監(jiān)測指標數(shù)據(jù)采集及處理

監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和處理是確保橋梁運營安全的重要環(huán)節(jié)，通過采集處理數(shù)據(jù)可及時發(fā)現(xiàn)橋梁存在的潛在問題，幫助工作人員做出科學決策。

2.4.1 數(shù)據(jù)采集

該橋梁數(shù)據(jù)主要通過傳感器采集數(shù)據(jù)，每種傳感器均具有特定的采集方法和數(shù)據(jù)傳輸路徑。

（1）應變傳感器數(shù)據(jù)采集

應變傳感器采集的應變數(shù)據(jù)通過光纖傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)采集數(shù)據(jù)實時計算橋梁應力狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)異常。應變傳感器數(shù)據(jù)采集頻率設為每 3 0 m i n 一次；數(shù)據(jù)包括應變值、應力值、采集時間。

（2）位移傳感器數(shù)據(jù)采集

位移傳感器數(shù)據(jù)通過無線模塊傳輸至數(shù)據(jù)平臺。通過分析位移數(shù)據(jù)可檢測橋梁的沉降、變形等安全問題。位移傳感器數(shù)據(jù)采集頻率設為每 1 0 m i n 一次，采集的數(shù)據(jù)包括位移值、時間戳[5]。

（3）溫度傳感器數(shù)據(jù)采集

溫度傳感器數(shù)據(jù)采集頻率設定為每 1 5 m i n 一次，通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)包括溫度值、采集時間。

2.4.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集完成后為確保數(shù)據(jù)有效，需進行處理分析，從原始數(shù)據(jù)中提取出有價值的信息。

（1）數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)采集過程中容易受噪聲、干擾等因素影響，因此必須對原始數(shù)據(jù)進行預處理。數(shù)據(jù)預處理的主要任務包括：

去噪：通過濾波算法去除數(shù)據(jù)中的高頻噪聲，確保數(shù)據(jù)的平滑性；

缺失值填補：對于采集過程中的缺失數(shù)據(jù)，通過插值法填補，如線性插值或多項式插值；

異常值檢測與修正：利用統(tǒng)計方法檢測修正異常數(shù)據(jù)（超出預定范圍的數(shù)據(jù)點）。

（2）數(shù)據(jù)分析

預處理后數(shù)據(jù)可以進入分析階段，主要分析內(nèi)容包括：

應力與應變分析：基于應變傳感器數(shù)據(jù)，利用應力一應變關系計算橋梁的應力狀況。

位移變化分析：根據(jù)位移傳感器數(shù)據(jù)，分析橋梁的沉降、變形趨勢，與設定的閾值進行對比，判斷是否存在不均勻沉降風險。

溫度影響分析：通過溫度變化數(shù)據(jù)，結合熱膨脹系數(shù)，分析溫度波動對橋梁結構的影響，判斷是否需要進行維護或加固。

（3）數(shù)據(jù)可視化

通過圖表將數(shù)據(jù)分析結果直觀呈現(xiàn)給工程師，幫助他們做出及時決策，例如，該地鐵橋梁某個時間段內(nèi)的應力、位移、溫度之間的關系如圖1所示。

3基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁運營安全評估

3.1 指標閾值確定

（1）指標閾值

指標閾值確定是評估橋梁運營安全的關鍵。為合理評估橋梁的運行狀態(tài)采用均值控制圖法，結合正常監(jiān)測數(shù)據(jù)的置信區(qū)間動態(tài)確定各評價指標的閾值。均值控制圖（X-bar控制圖）是常見統(tǒng)計過程控制工具，計算一組數(shù)據(jù)的均值、標準差，根據(jù)參數(shù)繪制控制圖，判斷數(shù)據(jù)是否在允許的波動范圍內(nèi)。首先基于該地鐵橋梁的正常監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算出各項評價指標（如溫度、位移、應力等）的均值 和標準差 然后采用控制圖的計算方法，確定各指標的上控制限（ U C L ）和下控制限（LCL），作為動態(tài)閾值，具體公式如下：

式中， ——監(jiān)測數(shù)據(jù)的均值，單位取決于所監(jiān)測的指標，例如溫度的單位為攝氏度（℃），位移的單位為毫米（mm），應力的單位為兆帕（MPa）； σ 一數(shù)據(jù)的標準差； n 1 一 樣本的數(shù)量；3. 控制限的誤差范圍。

（2）置信區(qū)間的構建

在均值控制圖法的基礎上，利用置信區(qū)間對各評價指標的動態(tài)閾值進行進一步優(yōu)化。假設監(jiān)測數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，可根據(jù)數(shù)據(jù)的均值和標準差構建置信區(qū)間，該區(qū)間用于判定正常范圍和異常波動。給定置信度，置信區(qū)間的簡化計算公式為：

式中， — 監(jiān)測數(shù)據(jù)的均值； σ 標準差；Z正態(tài)分布下的臨界值，對于 9 5 % 的置信度， Z=1 . 9 6 。

通過上述方法可為各個指標（如位移、應力等）建立動態(tài)的上限和下限，以便根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷是否存在異常波動。

（3）溫度作為自變量的回歸模型

在實際橋梁監(jiān)測過程中，溫度是影響位移、應力等評價指標的主要因素。因此，該文采用回歸分析方法，將溫度作為自變量，構建各評價指標的動態(tài)預警閾值模型。假設橋梁的某個評價指標Y（如位移或應力）與溫度T之間存在線性關系，那么回歸方程可表示為：

Y = α + β T + ε

式中，Y—評價指標（如位移或應力）；T—溫度（℃）； a 、 β ——回歸方程的系數(shù)； ε —隨機誤差項。通過回歸分析，得到各指標在不同溫度下的預警閾值，并結合均值控制圖和置信區(qū)間，形成動態(tài)預警機制。

通過回歸模型，可以動態(tài)調(diào)整溫度對各項評價指標的影響，并為監(jiān)測數(shù)據(jù)提供合理的預警閾值。當溫度變化引起的各項指標的變化超過閾值時，可以觸發(fā)安全預警，提示可能的結構問題。

3.2 監(jiān)測結果及分析

3.2.1溫度監(jiān)測結果與閾值分析

溫度是影響橋梁各項評價指標的主要因素，將溫度作為自變量，基于正常范圍內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)確定溫度閾值。計算使用均值控制圖法，考慮 1 ～ 6 月期間的溫度波動，得到動態(tài)溫度預謦閾值。根據(jù) 1 ～ 6 月的監(jiān)測數(shù)據(jù)，橋梁面溫度的均值為 ，標準差為 。設定 9 5 % 的置信區(qū)間，計算橋梁溫度的上下限閾值。

橋梁溫度上限閾值為 ；下限閾值為 。因此，橋梁溫度的動態(tài)預警閾值為 ， ]。若溫度超過該范圍，則需警示，表明存在潛在的安全隱患。如圖2所示，該地鐵橋梁2024年半年內(nèi)的溫度值未超出預警閾值范圍。

3.2.2位移監(jiān)測結果與閾值分析

橋梁位移主要受溫度影響，計算位移預警閾值時使用溫度回歸方程確定位移的動態(tài)閾值。基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，將溫度作為自變量，位移作為因變量，得到位移與溫度的關系式：

位移 = 0 . 0 2 × 溫度 - 0 . 1

基于此回歸方程，得到不同溫度值對應的位移閾值。根據(jù)上述公式及歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)分析確定位移的正常范圍在溫度正常波動時不超過 1 . 2 m m 。如位移超出該值，則需進行結構安全評估。該地鐵橋梁位移在實際監(jiān)測過程中基本保持在正常波動范圍內(nèi)，未超過 1 . 2 m m ，因此，未觸發(fā)安全警報。

3.2.3應力監(jiān)測結果與閾值分析

應力變化也受溫度影響，同樣可以建立回歸方程，溫度作為自變量，推算出應力的動態(tài)閾值?；趹?、溫度的歷史數(shù)據(jù)得到以下回歸方程：

應力 = 0 . 1 5 × 溫度 + 0 . 8

根據(jù)上述公式及歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)分析確定應力的正常范圍在溫度正常波動時，不超過 ，該地鐵橋梁應力在實際監(jiān)測過程中基本保持在正常波動范圍內(nèi)，未超過 3 . 8 M P a ，因此，未觸發(fā)安全警報。

4結論

基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的評估方法，相較于傳統(tǒng)人工檢測具有更高的靈敏度、實時性，能在橋梁出現(xiàn)早期損傷時提供警示，為橋梁的養(yǎng)護與加固提供依據(jù)。多種指標數(shù)據(jù)融合應用可以提高復雜環(huán)境下的橋梁監(jiān)測效率。隨著技術的發(fā)展，基于智能化橋梁運營狀態(tài)監(jiān)測方法可以進一步優(yōu)化橋梁維護，有效保障橋梁的運營安全。

參考文獻

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