基于健康監測數據的橋梁狀態評估

莊志凱 陳 勇 張 偉 謝 琪

（1 中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

結構健康監測是近年來土木行業新起的新型業務領域，其主要技術手段為采用監測設備對結構特定的參數進行不間斷監測，并對監測數據進行分析評判，最終達到對結構技術狀態評判的目的。橋梁結構作為道路工程中的特殊結構物，相對民用建筑最大的區別是需承擔繁重移動荷載，因此，橋梁結構的的安全變顯得尤為重要和迫切。

橋梁健康監測系統的建設工作包括前期的系統搭建和后期系統的維護和結構狀態的評估，其中，結構狀態的評估是系統建設的核心工作，。本文將根據橋梁結構的特點，介紹一種橋梁結構的數據分析及評估的方法。

1 基于健康監測數據橋梁狀況評定的流程及方法

1.1 評定功能框架及流程

基于橋梁健康監測數據的結構評估分為在線評估子模塊和離線評估子模塊。在線評估采用基于層次分析的變權綜合法進行橋梁技術狀況綜合評估，離線評估主要包含承載力評估、疲勞評估和其它專項評估。根據劃分的工作內容，整理結構評估工作流程如圖2-1所示。

1.2 橋梁技術狀況評定的方法——層次評估法

1.2.1 層次評估法基本原理

對于橋梁結構進行狀態的評估有多種方法，其理論基礎主要有專家系統、可靠度理論、模糊理論、神經網絡等。采用結構監測數據對橋梁結構狀態進行評估需要采用一種合理、普適的評估方法，層次分析法是結構評估中經常采用的一種方法。其主要的特點是能夠降低和驗證主觀因素對評判的影響，同時對定性因素進行量化。在采用橋梁健康監測數據對橋梁結構進行評估的系統中，層次分析法的應用主要是用來確定各評定指標的基本權重。采用層次分析法的結構狀態的評估方法應根據所獲取的各類監測數據，此類數據需兼顧結構的整體特征，同時包含局部的參數狀況。根據橋梁結構規模的大小及結構的特征，各類橋型均可采用AHP 進行狀態評估，該方法也是目前在橋梁檢測規范中使用的方法。其基本評估流程見下圖所示。涉及到橋梁安全等級的確定、層次的劃分、權重的確定、底層指標的無量綱化和振動評估。

圖2-2 基于層次分析的橋梁健康狀態綜合評估流程

1.2.2 安全等級的評定

安全等級的確定按照如下的論域進行評定：

表2-1 橋梁綜合評定等級的論域

1.2.3 層次劃分

根據橋梁結構的特征，采用層次分析法分析時將分析層次分為：目標層、準則層、大指標層和小指標層。其中，目標層為全橋狀態的評估，準則層為各區段狀態的評估，大指標層是各區段各類評估指標，小指標層為具體的參數評價。一般，選取主要的受力構件作為準則層；各監測構件的各項指標，如安全性、耐久性、冗余度等，小指標層可劃分為兩層；①量化的監測數據序列或監測數據；②結構狀態描述劃分的等級標準，可參考養護規范。

1.2.4 權重系數的確定

采用以上技術路線的關鍵是確定指標的權重系數以及確定底層指標的評估思路、評估準則等。本系統將采用層次分析法對本橋進行技術狀況評定，相關權重系數主要是考慮城市及公路橋梁養護規范中的橋梁部件權重系數和綜合評估方法，并在此基礎之上，結合該橋梁的檢測施工資料，分析該橋的結構特點、實際技術狀況和長期監測情況，提出適合于該橋的技術狀況評估指標、評估項以及評定計算方法。

歷次橋梁定期測評定主要是根據當前橋梁技術狀況按照現行規范對橋梁技術狀況進行評定分析。因此，本技術評估系統要是在該評分技術標準基礎之上進行提升和改造，主要是將重點監測部位評分項的評定值用長期監測的實測值替換，權重系數采用本橋實際情況確定出來的權重系數進行替換，其余部分的技術標準假定不變，則評估系統會隨著實測值的變化而給出橋梁技術狀況隨時間變化情況，這樣得到的評估結果比定期檢查的評定結果更加理性和可靠，同時還可以得到結構技術狀況隨時間變化的趨勢情況。若對橋梁進行了一次定期檢查等之后，系統將會更新相應部分的權重系數，實現評估系統不斷自我完善，根據符合橋梁實際情況的評估系統。利用不確定型層次分析法、群判斷、集值統計原理等方法建立橋梁指標權重。

2 結構的評估

2.1 在線評估

結構的在線評估主要是結構監測系統根據監測數據自動進行，其主要工作是建立結構評估體系方法，并且獲得結構評估結果，最終形成結構評估報告。

在線評估體系：根據結構的自生特點、綜合評估模型及專家評判的權重，設置在線評估體系分層結構、構件及相關參數。

在線評估結果：根據評估體系自動算出相應時間段的評估結果、構件評級以及相關養護建議。

在線評估報告：根據系統評估結果，并根據需評估的時間段，生成評估報告。

在線評估報告的主要內容有：①橋梁基本信息、病害及評估記錄等；②突發事件描述；③結構狀態評估結果；④主要關鍵結論；⑤結構管養建議。

2.2 離線評估

2.2.1 橋梁承載力的評定

（1）橋梁承載力評定基本方法

評定的方法主要有兩種，主要是基于結構檢算和荷載試驗對結構承載能力的評估。

第一種方法：基于結構檢算的承載能力評估。通過對結構材質、外觀的檢測結果，確定結構承載能力惡化系數、結構截面折減系數，從而對結構承載能力進行相應的折減，對比結構初始承載能力設計值并進行評定。這種方法又稱為直接評定法。

第二種方法是采用荷載試驗進行評定，通過實際的荷載車輛加載，測定結構的參數相應，通過計算影響線和實測影響線的對比進行綜合評定。通過直觀地定性判斷這兩者隨荷載位置的變化趨勢是否一致以及定量判斷主要控制截面的實測響線數值和計算影響線之間數值相對大小，確定出直接評定因子。

式中：λ——直接評定因子；——計算影響線；y(k)——實測影響線；k——表示控制截面編號。

對于任意控制截面k，均有λ(k)＜0.8，則結構的承載力可以適當的提高；若其中某一個或多個控制截面j，有λ(j)＞1.2，則結構的抗力效應不滿足承載力要求，某一個或多個控制截面j，有 0.8≤λ(j)≤1.2，直接評定不能做出評定結論，可以進一步采用有限元模型修正評定法等方法進行評定。其中評定值0.8 和1.2 以及安全系數具體取值可根據該橋的實際情況而定。

（2）橋梁承載力評定的準則

結合橋梁現行設計規范和承載力評定標準，如《公路橋梁承載力檢測評定規程》（JTG/TJ21-2011）、《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60-2004），并結合上述4 種評估方法對橋梁承載力進行評定。

結構承載能力的評估是通過結構的分析獲取結構的內力狀態，在獲得結構恒載能力狀態下，根據荷載組合得到相應的應力狀態，從而將恒載與荷載的計算結構與結構的設計抗力對比進行承載能力的評估。結構狀態的描述可由下式表示：

式中，RD和RL分別表示恒載和活載效應；Ra表示其他荷載效應。由于RD和RL包含了評估時刻的溫度效應，而該溫度效應與設計中考慮的溫度效應不一定相等，所以這里的中包括的溫度效應是設計溫度效應與評估時刻溫度效應的差值；k表示應力富裕度系數，根據橋梁設計情況、荷載試驗結果以及長期監測結果而定；C 表示結構抗力效應?？梢愿鶕斍盃顟B下應力富裕度系數K 的大小實現對結構承載能力的評估。結構的承載能力評估結果同樣分為四個等級，均直接對應于管養的決策，具體如下表所示。

表3-1 結構的承載能力評估分級

2.2.2 疲勞狀態的評估

考慮到橋梁結構的結構特點，橋梁結構監測系統中對各部件耐久性的評估在于結構在所承受的設計活荷載作用下的疲勞狀態評估。

基于監測系統的疲勞狀態評估的基本方法如下：

車輛荷載數值模擬流程

荷載模擬是通過動態稱重系統實測的車輛數據，分析統計規律，結合車輛荷載數值模擬和Monte-carlo 模擬方法，用計算機程序來模擬疲勞荷載譜。

疲勞監測熱點區的獲?。?/p>

1）根據橋型特點和結構分析獲?。?/p>

2）根據結構的應力時程分析獲取。

應力時程的標準樣本的獲?。?/p>

1）根據監測數據獲得結構時程數據。

2）根據提取的時程數據，獲取結構關鍵部位的荷載-應力譜，對比結構仿真分析結果進行修正。

3）對時程數據進行樣本分析，提取標準樣本。

2.2.3 專項評估

橋梁結構專項評估，需要根據結構的具體情況，針對特定專題項目進行結構評估，如大風、地震對橋梁結構的影響評估、風險評估等。專項評估采用人工離線評估，并撰寫評估報告上傳至評估報告管理系統。

2.2.4 離線評估報告

評估報告分為常規評估報告和專項評估報告，如下圖所示。常規評估報告是根據結構管養需求定期進行承載能力評估、疲勞狀態評估生成的評估報告；專項評估報告是指系統出現報警和橋梁使用過程中發生特殊事件之后生成特殊事件（如大風、地震）綜合評估報告。

3 總結

基于結構的健康監測數據對結構進行準確的技術狀況評定是當下結構監測研究的主要課題，也是當下結構監測發展中需不斷更新和迭代的主要工作，同時還應推進相關結構試驗對健康監測數據的評估結果進行論證，從而進一步佐證結構監測的有效性。