橋梁安全監測預警閥值一般設置方法

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400000)

健康監測系統的監測目標是結構的正常使用極限狀態，在達到該狀態之前，給出一個預告警戒線，在警戒線之內則認為結構處于安全試用狀態，超出這一警戒線則認為結構受載較大，提示運營者關注橋梁的狀態。警戒線的給出符合認定思維，給橋梁的管理養護帶來方便。

為準確判定結構運營狀態，并適時進行預警報警，需在監測系統程序中給定參數的判定界限值，即所謂的閾值。

一般可將安全等級分為三級：提醒、警告、報警。

1)提醒狀態表明橋梁的部分結構出現輕微損傷，但結構整體仍能處于正常的工作狀態，需要密切關注損傷部位和損傷的發展。

2)警告狀態表明橋梁的部分結構或關鍵部位出現了一定程度的損傷，橋梁需要維修才能滿足使用要求，應該限載通行且對橋梁進行全面的檢查。

3)報警狀態表明橋梁的部分結構或關鍵部位出現了嚴重功能退化，應立即關閉交通，橋梁必須經過加固或者大修才能繼續使用。

一、預警閥值設置一般方法

(一)預警參數的確定。預警參數是指用于預警的橋梁特征參數，包括直接測試參數和衍生參數。預警參數的確定需考慮自動化數據采集子系統的測試項目，保證預警參數能被穩定可靠地采集和計算。同時預警參數要能突出地反映結構的受力狀態。

橋梁的預警參數主要包括主梁跨中撓度、主梁縱位移(伸縮縫寬度)、主梁應力、風速、交通荷載、主梁振動特性參數等。

(二)預警指標的確定。預警指標是指預警參數的預警限值，通常對于單指標預警而言，當預警參數值超過預警指標，則代表預警參數已超過結構容許限值。預警指標分為兩種：1級預警指標和2級預警指標，1級預警指標大致對應于橋梁結構正常使用極限狀態，2級預警指標對應于橋梁結構承載力極限狀態，一般1級預警指標取2級預警指標的0.8倍。

預警指標的確定方法目前分為兩種：無模型預警方法和有模型預警方法。

1)無模型方法。無模型預警方法是以往監測系統主要進行監測數據分析和預警的主要方法，它建立在監測數據統計及簡單數據分析的基礎上，對橋梁的結構響應實時監測數據直接進行處理，通過規范、歷史記錄、交通流量、環境參數等建立預警指標。通常根據不同情況設定不同的預警指標，對不同的預警指標采取不同的處理方法。

2)有模型方法。有模型預警方法需基于橋梁基準有限元模型。利用橋梁基準有限元模型計算橋梁主要亞臨界狀態(即橋梁的主要危險狀態)下橋梁預警指標值。

結構健康監測系統閾值的確定目前一般采用以下幾種方法：

1)計算分析。計算分析法采用經修正過的有限元模型，計算在正常使用荷載狀態下結構的反應，并給出傳感器監測點的參數的理論變化區間。

2)基于實測數據的統計規律。對于某些受力復雜、理論計算結果僅作為參考時，可以對某一變量進行長時間地連續觀測，并分析觀測數據的統計規律，以此統計規律作為后續結構監測的閾值。

3)規范值。對于某些非結構參數的閾值可以根據規范規定限制給定，如普通鋼筋混凝土結構的裂縫寬度規范限制為0.2mm。

4)不確定值。對于風荷載或地震作用，屬于環境作用，其作用大小根據其超越概率的大小可能屬于SLS或ULS狀態。因此，監測與此對應的結構振動參數則沒有確定的閾值。可以根據監測結果進行離線分析，從而確定結構有無損傷發生。

(三)預警條件的確定。預警條件是指處于預警狀態時各預警參數和相應的預警指標所滿足的條件。預警條件分為單一預警條件和組合預警條件。單一預警條件針對單一預警參數而言，只要此預警參數超過對應的預警指標，則預警條件成立；組合預警條件針對多個預警參數，只有當滿足一定組合的多個預警參數均達到預警指標時才認為預警條件成立。考慮到測試誤差和異常干擾的影響，只靠單一預警條件進行預警可靠性不高，因此桃花峪黃河大橋結構安全預警模塊采用組合預警條件進行預警。

根據使用的預警指標的不同，預警條件分為1級預警條件和2級預警條件。

(四)預警等級的劃分

對于橋梁危險狀態通常采用三級預警：

1)一級(黃色)預警。當1級預警條件偶然成立，且2級預警條件不成立時，進行黃色預警。黃色預警啟動，說明橋梁結構已開始出現超過正常使用極限狀態的情況，此事需引起橋梁管理部門的注意，但橋梁目前尚不存在安全問題。

2)二級(橙色)預警。當1級預警條件頻繁成立，且2級預警條件偶然成立時，進行橙色預警。橙色預警啟動，說明橋梁結構長期出現超過正常使用極限狀態的情況，且有時已開始出現超過承載力極限狀態的情況，此時需引起橋梁管理部門的高度注意，橋梁目前已存在安全問題，或者可能存在重大安全問題。

3)三級(紅色)預警。當2級預警條件頻繁成立時，進行紅色預警。紅色預警啟動，說明橋梁結構長期出現超過承載力極限狀態的情況，此時橋梁極有可能已出現重大安全問題，橋梁管理部門必須立刻啟動應急預案。

二、預警閥值設置的示例

不同監測參數需根據具體情況采用適當的方法設定閾值。

為對結構響應范圍進行界定，制定各測點閾值范圍，特建立有限元模型進行計算分析。盡管如此，上述計算值只能作為健康監測系統的一個初步設定值，在后續的長期監測過程中應在海量數據分析的基礎上評估閾值設定初值的合理性。

警戒值的大小取為正常運營極限值(閾值)的75%，此時的安全系數為1/0.75=1.33，預留了部分空間以判斷是否需要對結構構件的運營狀態監測結果進行詳細的健康評估。香港的橋梁健康監測系統此前這一數值為0.6，根據長期監測系統的實際操作經驗修改為現在的0.75，這一數值也被美國公路運輸協會(AASHTO)采納入橋梁分類辦法等規范中。

按照上述原則的三級閾值(兩線三狀態)示意圖如下圖所示，‘兩線’是指預警線和報警線，‘三狀態’是指正常監測狀態、預警狀態和報警狀態。

圖5-2 健康監測系統閾值的三級閾值示意圖

目前給出的各監測項目的閾值為依照有限元計算的初步設定值，其預警值按閾值乘以0.75取值。荷載為活荷載的標準組合，活荷載包括汽車荷載、人群荷載、風荷載。

[1]王長虎.淺談橋梁健康監測系統[J].北方交通,2006,(11)

[2]謝海龍.橋梁健康監測中的應力數據分析[J].公路交通科技//應用技術版,2011,(5);1-3.

[3]甘亭用,橋梁健康監測關鍵技術研究.重慶交通大學,2007

[4]郝志強.橋梁應力靜態監測預警閥值探討[J].公路,2013(10):138-140.