基于《公路橋梁技術狀況評定標準》的長大橋梁在線評估體系

羅艷利

（上海巨一科技發展有限公司,上海市 200031）

0 引言

隨著橋梁結構自動化監測技術的不斷發展，在傳統的以人工為主的日常檢測養護工作基礎上，我國重要的長大橋梁基本都建立了結構監測系統，據不完全統計，目前已有超過200座大跨度橋梁安裝了結構監測系統[1]。運營期產生的海量監測數據，具有可追溯性、客觀性、數據量大，準確性和正確性好等特點，應該是長大橋梁安全及技術狀況評估的優質數據來源。結構監測評估的最終目的是為結構安全定調，為養護管理決策服務。當前問題在于如何應用監測數據進行準確、有效評估。規范《公路橋梁技術狀況評定標準》[2]（JTG/T H21-2011，以下簡稱“評定標準”）提出采用分層綜合評定與單項指標控制相結合的方法對橋梁技術狀況進行評定，適用于各級公路的橋梁技術狀況評定，但該規范中所有構件的評估指標均來源于傳統的人工檢測（常規的表觀病害檢查、定期檢測和特殊檢測）結果，而未考慮自動監測數據作為指標輸入的評估。為了有效應用監測數據對結構進行評估，當前已有不少學者進行了各方面的研究和應用，如李愛群及其科研團隊以潤揚長江大橋監測海量數據為主要研究對象，重點開展橋梁監測海量數據的分析與評估研究[3]，王瑀等提出橋梁監測系統的在線結構分析及狀態評估方法[4]。這些方法主要是通過對監測的海量數據進行分析和處理，將提取的評估指標通過模糊推理、專家評估系統、神經網絡、可靠度理論等方法與結構有限元模型分析結果或結構初始狀態進行對比，從而確定結構健康狀況或進行損傷識別。

本文提出的基于《公路橋梁技術狀況評定標準》的長大橋梁在線評估體系，遵照評定標準所制定的原則，首先將長大橋梁按結構獨立受力原則劃分為若干評估單元，再對各評估單元采用分層綜合評估與單項指標控制相結合的方法進行評估，重點是在構件評估指標中，擴充了以監測數據為輸入的評估指標，使構件評估指標涵蓋監測數據和傳統的人工檢測數據，并對監測數據類指標設定了合適的在線評估器和評估標準，最終在監測系統中通過增加在線評估功能模塊，由軟件編程實現長大橋梁自動在線評估。

1 在線評估體系

本文所提出的在線評估體系遵照評定標準制定的原則，對于長大橋梁，首先根據橋梁中的結構形式，按獨立受力原則，將長大橋梁劃分為若干評估單元；然后根據評定標準的規定，按評估單元結構形式確定構件分類、評估權重等信息；再是根據監測系統測點布置情況，結合評定標準確定構件評估指標和評估標準（包括監測數據類評估指標，該類指標需確定合適的在線評估器和針對性的評估標準，見下述）；最后按分層綜合評估與單項指標控制相結合的方法逐一對各評估單元進行評估。該評估體系借鑒評定標準的層次劃分原則，評估框架和層次間的遞推規則均按評定標準的要求，但對構件評估指標進行了拓展，使構件評估指標涵蓋自動監測數據和傳統的人工檢測數據，為已建立監測系統的長大橋梁技術狀況評估提供參考。該評估體系已通過編制相應的軟件模塊在監測系統中實現在線自動評估，并且在軟件模塊中，授權用戶可根據監測數據特點選擇合適的在線評估器，并可對底層評估指標和頂層評估單元的評估結果進行修正，從而更全面、準確的對長大橋梁進行在線評估，實現監測系統為橋梁養護管理決策服務的目的。

1.1 評估單元劃分

根據評定標準的評估層次，底層對象評估指標的所有信息都是附著在構件上的，針對長大橋梁，構件數量眾多，要想達到準確評估并給出針對性的合理養護建議，必須對整體橋梁結構進行合理劃分。源于電子化、網格化、高效化養護管理的理念，以一聯獨立及完整受力為原則，將長大橋梁按結構形式劃分為若干評估單元，通常一跨簡支梁、一聯連續梁、一聯剛構、一座斜拉橋可作為一個評估單元。

1.2 分層綜合評估方法

本文提出的在線評估體系沿用評定標準的分層綜合評估方法，評估層次分為評估單元層-部位層（上部結構、下部結構和橋面系）-部件層（根據具體的結構型式確定）-構件層-評估指標層，共五層。評估時，首先根據監檢測數據通過評定標準或在線評估器對構件評估指標進行評分，然后根據各評估指標的評估標度對各構件進行評估，再對各部件進行評估，再對橋面系、上部結構和下部結構分別進行評估，最后進行評估單元總體狀況的評估。各層次間評分遞推規則按評定標準中的規定執行，所有評估層次的評分均通過編制的軟件模塊由監測系統在線自動完成，且其中頂層（評估單元）和底層（評估指標）的評分可由橋梁結構工程師根據需要進行人工修正。

1.3 在線評估器

根據評估指標數據來源，評估指標可劃分為外觀檢查病害類評估指標、人工檢測數據類評估指標和自動監測數據類評估指標。對于前兩類評估指標，其數據來源為傳統人工檢測方法獲取，數據時效性較差（視檢測項目的檢測周期定），在進行評估單元在線評估時，可讀取各指標最近一次檢測結果，按評定標準進行評估，確定指標的評估標度類別；而對于自動監測數據類評估指標，則需根據評估時段內指標相應的所有監測數據進行分析處理后，選擇合適的在線評估器（如可靠度評估器、隸屬度評估器）進行評分，再根據評估分值（百分制）按指標評估標度表確定指標的評估標度。某混凝土連續箱梁的評估層次、評估指標分類、示例及評估說明見圖1。

圖1 在線評估層次、評估指標分類、示例及評估說明

1.3.1 可靠度評估器

可靠性[5-6]的數量描述一般用可靠度，可靠度是結構在規定的時間內，在規定的條件下，完成預定功能的概率。可靠度的決定因素是構件綜合抗力和荷載效應，這些因素又進一步分為材料性能不定性、構件幾何尺寸不定性、計算模式不定性及荷載分布的變異性等。在實際結構中，影響構件可靠度因素常為多個隨機變量。在橋梁監測系統中，傳感器監測數據包括應變、位移、溫度、風速等，統計其分布規律大多為正態分布或對數正態分布，因此可將這些監測項目視為影響構件可靠度的評估指標[7]，采用可靠度評估器進行評估。在實際工程中，應用可靠度評估器時，需首先確定評估指標的抗力值（即該類指標的評定標準），然后根據抗力值和通過監測數據計算得到的指標均值計算可靠度指標β，并進一步計算指標評估分數（fβ），從而確定指標評估標度。

1.3.2 隸屬度評估器

為了解決指標評分標準的不確定性問題，國內外許多學者提出基于模糊推理理論、通過統計分析確定指標隸屬度函數的方法進行評估指標的評分。這一類指標評估器統稱為隸屬度評估器，在實際應用時，視指標具體情況，通過設置合理的空間分區門檻值（即模糊指標 a，b，c，d）和輸入、輸出隸屬度函數，對評估指標進行評分，如淡丹輝[8]在東海大橋監測系統中提出的模糊推理系統（the fuzzy inference system）。

2 工程應用實例

東海大橋工程是上海國際航運中心洋山深水港區一期工程的重要配套工程，全長約31 km。東海大橋工程主要包括鋼箱梁斜拉橋、大跨度變高預應力混凝土連續箱梁和30～70 m預應力混凝土等高度連續箱梁三大類結構形式，根據評估單元劃分規則，橋梁總體劃分為182個評估單元，其中8個評估單元設置了實時監測傳感器。限于篇幅，本文以其中一個設置了實時監測的評估單元——160 m跨副通航孔橋的為例，以其2014年12月的監檢測數據為評估數據來源，通過編制的軟件程序模塊采用基于《公路橋梁技術狀況評定標準》的長大橋梁在線評估體系進行評估。

160m跨副通航孔橋為90m+160m+160m+90m變高度預應力混凝土連續梁，除傳統的人工檢測項目外，東海大橋監測系統在該評估單元各墩墩頂及兩個副通航孔跨中位置布設了靜力水準儀，并選擇一個墩頂斷面和副通航孔跨中斷面設置結構溫度計，實時監測該結構段的墩臺沉降、跨中撓度和結構溫度，測點布置見圖2。

根據監測情況，該評估單元的在線評估體系設置中，除了評定標準中的構件評估指標外，在上部結構的主梁TXL-002和主梁TXL-003構件中，增加“跨中撓度”評估指標，采用可靠度評估器進行指標評分；而在下部結構的所有橋墩構件中，增加“墩臺沉降”指標，采用隸屬度評估器進行指標評分。根據2014年12月的監檢測數據，160 m跨副通航孔橋在線評估結果為上部結構評分88.44，下部結構評分82.54，橋面系評分95.74，評估單元總體評分為87.54，結構狀況為二類，說明有輕微缺損，但對橋梁使用功能無影響。評估過程及上部結構評估情況見圖3（下部結構和橋面系的評估類似，限于篇幅，本文不再一一列出）。

3 結論

圖2 160 m跨副通航孔實時監測布點圖

圖3 160 m跨副通航孔橋在線評估示例

本文在《公路橋梁技術狀況評定標準》的基礎上，制定了將長大橋梁按結構形式劃分為若干受力獨立的評估單元的規則，然后以分層綜合評估方法為綱，對特定的底層評估指標設計了能適用監測數據為輸入的在線評估器。該體系對構件評估指標進行了拓展，使構件評估指標涵蓋海量監測數據和傳統的人工檢測數據，從而更全面、準確的對長大橋梁進行在線評估。所編制的軟件模塊中，用戶還可根據實際情況對底層指標和評估單元的評估結果進行修正，并可根據海量監測數據特點對評估指標選擇合適的在線評估器。以東海大橋副通航孔橋監測數據的評估結果表明，經該體系得出的評估結果準確、客觀、合理，驗證了在線評估體系的正確性和適用性。

[1]孫利民,周毅.中國橋梁工程學術研究綜述·2014，8.1節橋梁健康監測[J].中國公路學報特刊,2014.

[2]JTG/T H21-2011,公路橋梁技術狀況評定標準[S].

[3]李愛群,丁幼亮,王浩,等.橋梁健康監測海量數據分析與評估—“結構健康監測”研究進展[J].中國科學：技術科學,2012,42(8)：972-984．

[4]王瑀,荊國強,王波.橋梁健康監測系統在線結構分析及狀態評估方法[J].橋梁建設,2014,44(1)：25-30.

[5]Mark G.Stewart.Reliability-based assessment of ageing bridges using risk ranking and life cycle cost decision analyses[J].Reliability engineering,2001,74(3)：263-273.

[6]M H Faber.Reliability based assessment of existing structure safely and reliability[J].2000(2)：247-253.

[7]Liu,M.,Frangopol,D.M.,Kim,S..Bridge System Performance Assessment from Structural Health Monitoring：A Case Study[J].J.Struct.Eng.,2009(6)：733-742.

[8]Danhui Dan,Limin Sun,Zhifang Yang.The application of a fuzzy inference system and analytical hierarchy process based online evaluation framework to the Donghai Bridge Health Monitoring System[J].Smart Structures and Systems,2014，14(2)：129-144.