基于3A指標的斜拉橋上部結構狀態評估

秦勁東 方圣恩 張瑋 黃學漾 郭新宇

摘 要：針對橋梁狀態評估過程中數據量大、分析困難的問題，根據某斜拉橋的監測數據，采用五度指標評估方法對其上部結構各部件進行分析，提出一種基于權重系數的綜合評價指標，用于評估斜拉橋上部結構的整體安全狀態。針對現存橋梁評估方法中計算復雜的問題，提出3A指標，包括幅值偏移量、異常度和均值波動。相對于五度指標，新指標的計算更便捷，更方便工程人員進行現場評估。最后，用3A指標對斜拉橋進行評估，并將評估結果與五度指標進行比較分析，發現3A指標的評估結果與五度指標基本一致。

關鍵詞：橋梁狀態評估;3A指標;幅值偏移量;異常度;均值波動

中圖分類號：U446.3?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：2096-6717（2022）03-0071-08

收稿日期：2021-05-02

基金項目：國家自然科學基金（52178276）

作者簡介：秦勁東（1995- ），男，主要從事橋梁健康監測研究，E-mail：jqqin001@163.com。

方圣恩（通信作者），男，教授，博士生導師，E-mail：shengen.fang@fzu.edu.cn。

Received：2021-05-02

Foundation item：National Natural Science Foundation of China （No. 52178276）

Author brief：QIN Jindong （1995- ）， main research interest： bridge health monitoring， E-mail： jqqin001@163.com.

FANG Shengen （corresponding author）， professor， doctorial supervisor， E-mail： shengen.fang@fzu.edu.cn.

Superstructure state evaluation of cable-stayed bridge using 3A indicators

QIN Jindong1a， FANG Shengen ， ZHANG Wei2， HUANG Xueyang2， GUO Xinyu1a

（1a. School of Civil Engineering; 1b. National & Local Joint Engineering Center for Seismic and Disaster and Informatization of Civil Engineering， Fuzhou University， Fuzhou 350108， P. R. China; 2. Fujian Academy of Building Research Co.， Ltd， Fuzhou 350108， P. R. China）

Abstract： To solve the problem of huge data and analysis paralysis in bridge state assessment，the Five Indices Method is used to analyze the superstructure components of a cable-stayed bridge according to monitored data. Then， a comprehensive evaluation index incorporating weight coefficients is proposed to evaluate the safety condition of the cable-stayed bridge superstructure based on the existing five indices. After that， to overcome the calculation difficulty in bridge evaluation activities， a series of 3A indicators are proposed and individually termed as the amplitude offset， the abnormal degree and the average value fluctuation. Compared with the previous five indices， the three new indicators require less computation， and thus， are more convenient for engineers to conduct on-site evaluation. The 3A indicators are used to evaluate the safety condition of the cable-stayed bridge， and the results are compared with the five indices.The analysis results show that the superstructure state of the cable-stayed bridge evaluated by the 3A indicators is basically consistent with the five indices.

Keywords： bridge state assessment; 3A indicators;amplitude offset; abnormal degree; average value fluctuation

大跨度橋梁通常承受荷載大、服役年限長、重要性程度高，對安全性和耐久性都有很高的要求。橋梁在運營階段可能會受到環境、交通和人為等因素的影響而產生損傷，造成其破壞甚至坍塌，引發災難性事故[1]。近年來，中國多地發生橋梁事故，造成了巨大的生命財產損失。因此，通過技術手段對橋梁的工作狀態和健康狀況做出診斷、識別和預測，并對其安全性和耐久性進行評估，具有十分重要的意義。早期的橋梁評估主要是基于人工檢測方法，其檢測結果受人為因素影響較大，且不適用于復雜大跨橋梁結構。所以，為更好地了解橋梁運營狀況，可通過安裝健康監測系統以實時獲取環境信息和結構響應信息，并對橋梁健康狀態做出評估[2-4]。

很多學者在橋梁評估方面開展了大量研究工作，主要用到可靠度理論[5-6]、層次分析法[7-9]、神經網絡[10]、模糊理論[11-12]和有限元分析[13]等方法。但上述方法通常操作復雜、主觀性強，且不能充分利用橋梁監測數據，因此，需要挖掘監測數據的潛力，實現對橋梁狀態的準確評估。有學者提出將五度指標[14]用于評估橋梁狀態，該指標借鑒證券技術分析方法中的K線技術指標，從安全度、承載度、異常度、振蕩度和動向度5個方面對監測數據進行分析，并對橋梁的狀態變化趨勢做出預測[14]。

筆者針對某斜拉橋14 d的監測數據，首先利用五度指標[14]對斜拉橋的主梁、橋塔和斜拉索進行狀態評價;然后提出一種綜合評估指標，判斷上部結構狀態;最后針對目前橋梁評估方法中計算復雜等問題，提出一組新的指標：3A指標，包括Amplitude offset（幅值偏移量）、Abnormal degree（異常度）和Average value fluctuation（均值波動），用于橋梁上部結構的分部評價和綜合性評估，并將兩種指標的評估結果進行對比，驗證所提出指標的合理性。

1 工程概況

某斜拉橋全長453.0 m，跨徑布置為50 m+60 m+ 110 m+110 m+60 m+50 m。橋面總寬29.5 m=2.5 m（人行道）+9.75 m（行車道）+5.0 m（分隔帶）+9.75 m（行車道）+2.5 m（人行道）。主橋采用鋼拱塔斜拉橋結構形式，主梁為預應力鋼筋混凝土連續箱梁，主塔采用等腰梯形閉合截面鋼箱拱結構。

因該橋結構形式特殊，為保障安全性，運營多年后安裝了健康監測系統。根據大橋的結構特點，選擇受力較不利截面和變形較大截面作為重點監測對象，包括主梁的跨中、1/4和3/4截面的振動加速度。其中，主梁振動采用加速度傳感器測量，布置于每跨跨中截面以及3#跨和4#跨的1/4、3/4截面，即B、D、F、G、H、K、L、M、O、Q截面（圖1），共計10個加速度傳感器。鋼拱塔振動采用加速度傳感器測量，布置于拱塔U、V、W截面，每個截面外側各布置1個加速度傳感器，如圖2所示。斜拉索索力采用頻率法測量，索力傳感器附著于斜拉索表面，選取各索面最長、最短和中間長度的斜拉索作為監測對象，4索面共計12根，測點布置如圖3所示。

2 監測數據統計值

采用14 d的監測數據對該斜拉橋上部結構的狀態進行分析。采集主梁、橋塔和斜拉索的加速度實測數據，并進行濾波降噪等預處理，其中，主梁和橋塔采用加速度時程數據，而索力數據經模態參數識別后提取基頻和倍頻，參考《基于環境振動激勵的橋梁拉索索力測試方法》（DB31/T 973—2016）[15]，由式（1）計算索力值。最后，對主梁、橋塔和斜拉索的數據進行統計運算，得到表1～表3。

T=4mL2fnn2-n2EIπ2L2（1）

式中：T為索力，N;m為單位長度拉索質量;L為拉索的計算長度，m;fn為第n階振動頻率;n為拉索自振頻率的階數;E為拉索鋼絲彈性模量;I為拉索截面抗彎慣矩，m4。

3 基于五度指標的斜拉橋上部結構狀況評估

參考《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）[16]，結合五度指標[14]分析斜拉橋的監測響應數據，對上部結構中的主梁、橋塔和斜拉索進行狀態評估。

3.1 安全度

利用實測監測參數的最大值和最小值與設計計算值進行比較，用于判別當前監測結構的設計使用程度。規定安全度指標不應大于100%。

sfd=Vh×100（2）

式中：V為監測參數實測值;h為監測參數設計允許的最大值;sfd為設計能力使用程度。

3.2 承載度

將本周期內監測參數HLA線圖（包含監測參數最大值（High）、最小值（Low）和平均值（Avg））的極值幅度與過去若干周期的HLA線圖的極值幅度進行比較，判別當前周期內監測參數的極值變化程度，以此反映當前結構承載水平的增加或減少。默認的承載度預警閾值為連續幾個周期內≥100。

czd=h-lv（h，n）hv（h，n）-lv（h，n）×100（3）

式中：h為某周期內監測參數HLA線圖的最大值;hv（h，n）為最近n周期內監測參數HLA線圖的最大值;lv（h，n）為最近n周期內監測參數HLA線圖的最大值的最小值。

3.3 異常度

將本日內監測參數的平均值與最近n天的移動平均值比較，判別當前監測結構參數的波動偏離程度。規定異常度指標不超過0.15。

gl=|avg-ma（avg，n）|ma（h，n）-ma（l，n）（4）

式中：avg為某天監測參數的平均值;ma（avg，n）為最近n天各天監測參數平均值的移動平均值;ma（h，n）為最近n天各天監測參數線最大值的移動平均值;ma（l，n）為最近n天各天監測參數線最小值的移動平均值;

3.4 振蕩度

計算出每個周期極值振蕩上下值，然后計算出不同周期的累積振蕩，再經過統計加權平滑處理得到振蕩度指標。通常情況下，振蕩度指標在20～80之間，代表監測對象平穩;大于80或小于20，需設置預警信號。

thi=max（hi，hi-1）

tli=min（loi，loi-1）（5）

式中：i為計算某周期測值數據振蕩上下值時該周期的編號;thi為某周期測值相對于前一周期測值的向上值;tli為某周期測值相對于前一周期測值的向下值。

ACC1i=∑nk=n-2+1（avgk-tlk）∑nk=n-2+1（thk-tlk）=∑nk=n-1（avgk-tlk）∑nk=n-1（thk-tlk）

ACC2i=∑nk=n-7+1（avgk-tlk）∑nk=n-7+1（thk-tlk）=∑nk=n-6（avgk-tlk）∑nk=n-6（thk-tlk）

ACC3i=∑nk=n-14+1（avgk-tlk）∑nk=n-14+1（thk-tlk）=∑nk=n-13（avgk-tlk）∑nk=n-13（thk-tlk）（6）

式中：i為計算第i個周期的累積振蕩時當天的編號;k為循環變量;ACC1為最近n1周期內測值的累積振蕩;ACC2為最近n2周期內測值的累積振蕩;ACC3為最近n3周期內測值的累積振蕩。

uos=ACC1×7×14+ACC2×2×14+7×14+2×

ACC3×2×714+2×7×100（7）

3.5 動向度

根據多個周期中的均值進行比較，尋求在此期間內監測參數的上升動向與下降動向，以透視出該測量值的變化方向、強弱和趨勢。長期來看，動向度指標應在25～75之間，大于75或小于25時可以設置預警。

ainj=avgj-avgj-1， avgj>avgj-1

adej=avgj-1-avgj， avgj<avgj-1（8）

式中：j為分析特定周期（第n周期）之前n1個周期到該周期內從前往后各周期的編號。

當avgj>avgj-1時，adej=0;當avgj<avgj-1時，ainj=0。

sainn=∑nl=n-14+1ainl=∑nl=n-13ainl， ainl>0

saden=∑nl=n-13adel，????? adel>0（9）

式中：l為循環變量;sainn為第n周期之前n1個周期到該周期內的累積升幅;saden為第n周期之前n1個周期到該周期內的累積降幅。

RSI=sainnsainn+saden×100（10）

3.6 分部評估結果

根據結構對稱性，選取4#、5#和6#跨跨中、橋塔以及4#跨上游側的斜拉索，采用五度指標進行評估，得到表4～表6。由評估結果可知：6#拉索的振蕩度指標為82.65，不滿足指標要求，而其他部件均滿足五度指標要求。

3.7 上部結構整體評估

3.7.1 評估規則

為評估斜拉橋上部結構的整體狀態，結合五度指標[14]提出了一個綜合評估指標，將主梁、橋塔和斜拉索視為一個體系。

上部結構評估過程中的一些因素，例如部件的種類、指標的使用方法等，都會影響最終評估結果。通過引入權重系數，將各類部件結合在一起，可以實現對上部結構的綜合性評價。各部件的權重系數取值取決于其功能和重要程度，例如，斜拉索用于連接主梁和橋塔，其健康狀況直接影響橋梁上部結構的安全，所以，其重要性高于主梁和橋塔。

在斜拉橋的所有拉索中，端錨索的長度最大，其承受索力較大。當端錨索發生破壞導致張力下降時，旁邊拉索數量較少，不能很好地分擔索力，這對上部結構的整體受力不利，所以，索力數據取端錨索（6#索）的索力數據。由于所取斜拉索錨固于橋塔的南側，故橋塔振動加速度數據取塔頂和塔身一半南側位置的數據。主梁振動加速度數據取最不利點，即4#跨跨中位置。

使用五度指標[14]對主梁、橋塔和斜拉索進行評估時，五個指標的重要程度不同。根據各指標的重要程度，賦予各指標不同的分值，各類指標及相應分值見表7。五度指標[14]中，由于安全度是反映使用程度的指標，如果監測響應不滿足安全度指標，意味著其超過了設計允許值，部件可能會損壞，所以規定部件若不滿足安全度指標，直接判斷部件的狀態發生了惡化，需要進行進一步檢查和維修加固。

3.7.2 綜合評估步驟

評估步驟：

1）采集加速度數據并進行預處理，獲取橋塔和主梁的加速度值，并換算斜拉索的索力值。

2）使用五度指標[14]分別對斜拉橋上部結構的各類部件進行評價，得到表8。將主梁、橋塔和拉索的得分設為Pi（i=1，2，3），滿分為100分。若不滿足某類指標，則減去相應的分數。當某類部件得分低于60分或不滿足安全度指標時，直接判定上部結構體系安全性不足，不再進入下一步。

3）設置主梁、橋塔和拉索的權重系數為ωi（i=1，2，3），將三者得分乘以權重系數后再相加，以此計算上部結構的綜合得分TS。

TS=P1×ω1+P2×ω2+P3×ω3（11）

4）根據綜合得分判斷上部結構的狀態，得分與相應的評估狀態見表9。

3.7.3 綜合評估結果

為研究權重系數取值對評估結果的影響，將主梁、橋塔和斜拉索的權重系數設置為3組不同的比值，分別為0.3∶0.3∶0.4、0.25∶0.25∶0.5和0.2∶0.2∶0.6，經計算，綜合評估指標分別為94、92.5、91分。

可見，采用上述權重系數進行評估，均得出該橋上部結構在監測的時間內沒有發生惡化的結論。取第2組權重系數進行評估。

4 基于3A指標的斜拉橋上部結構狀況評估

針對目前大跨度橋梁評估方法計算復雜、不便于工程現場人員理解和應用、海量數據下處理實時性不佳等問題，提出公式更簡單、更便于現場快速計算的3A指標，包括Amplitude offset（幅值偏移量）、Abnormal degree（異常度）和Average value fluctuation（均值波動），以3種指標的英文首字母命名。3A指標公式簡單、計算方便，方便工程人員理解和應用，可用于對大跨度橋梁上部結構各部件的當前狀態進行快速判斷。

3A指標與五度指標[14]不同之處在于：主梁和橋塔的加速度數據均取絕對值，使評估中的計算過程得到簡化。使用3A指標評估斜拉橋上部結構的狀態，并將其與五度指標[14]的評估結果進行對比，從而提供一種評估大跨度橋梁上部結構狀態的新方法。

4.1 Amplitude offset（幅值偏移量）

對主梁和橋塔的振動加速度數據，可以規定其超限閾值，用于判斷部件的狀態。基于數據中的最大值反映部件最不利狀態的特性，提出幅值偏移量指標，用來分析相應部件最大加速度的變化情況。若部件的最大加速度變化過大，就有超過規定閾值的可能，預示部件可能發生損傷。

斜拉索在上部結構中是最重要的部件，而現實中索力是始終變化的。若拉索承受的索力過大，可能導致拉索的損壞。

幅值偏移量計算式為

Ao=max（h，n）-mean（h，n）mean（h，n）×100%（12）

式中：h為某個周期監測響應數據的最大值;max（h，n）為n個周期監測響應數據的最大值;mean（h，n）為n個周期監測響應數據最大值的平均值。

根據各部件重要性程度，規定主梁和橋塔的振動加速度的幅值偏移量不應超過25%，索力不應超過10%。

4.2 Abnormal degree（異常度）

變異系數是概率分布離散程度的一個歸一化量度，定義為標準差與平均值之比。一般在比較兩組數據的離散程度時，由于測量尺度或量綱不同，直接使用標準差不合適，故采用變異系數來消除影響。

斜拉橋每日的監測數據不斷變化，為更好地研究數據的離散程度，提出異常度指標來判斷監測數據的異常程度，進而掌握斜拉橋的運營狀況。

Ad=Smean（13）

式中：S為每日監測響應數據的標準差;mean為每日監測響應數據的平均值。

由于監測數據受傳感器自身因素和外部激勵的影響較復雜，并考慮各部件的重要性，規定主梁和橋塔的異常度應小于2.5，索力異常度應小于0.1。

4.3 Average value fluctuation（均值波動）

數據均值能反映大跨度橋梁在一段時間內的基本狀態，為此提出均值波動指標，通過均值的波動情況來判斷橋梁部件的狀態變化。

Avf1=max（a，n）-mean（a，n）mean（a，n）

Avf2=mean（a，n）-min（a，n）mean（a，n）（14）

式中：a為某個周期內監測響應數據的均值;max（a，n）為n個周期內監測響應數據均值的最大值;min（a，n）為n個周期內監測響應數據均值的最小值;mean（a，n）為n個周期內監測響應數據均值的平均值。

規定主梁和橋塔的加速度數據Avf1不應大于35%，為保持部件的狀況穩定，最大值和最小值不應相差過大，即Avf1和Avf2之和不應大于55%。

索力Avf1應小于10%，Avf1和Avf2之和不應大于15%。

4.4 基于3A指標的斜拉橋上部結構整體評估

4.4.1 綜合性評估

在3A指標中，均值波動指標更能反映橋梁在一段時間內的普遍狀態，因此，規定幅值偏移量、異常度和均值波動指標的分值分別為25、25、50分。

類似五度指標[14]的綜合評估方法，基于3A指標的綜合性評估方法步驟：

1）采集加速度數據并進行預處理，獲取橋塔和主梁的加速度絕對值以及拉索索力值。

2）使用3A指標分別對大跨度橋梁上部結構的各類部件進行評價，列于表10。將主梁、橋塔和拉索的得分設為Pi（i=1，2，3），滿分為100分。若不滿足某類指標，則減去相應的分數。當部件得分低于50分時，直接判定上部結構體系安全性不足，不再進入下一步。

3）設置主梁、橋塔和拉索的權重系數為ωi（i=1，2，3），將三者得分乘以權重系數后再相加，以此計算上部結構的綜合得分TS。

4）根據綜合得分判斷上部結構的狀態，得分與相應的評估狀態見表9。

4.4.2 評估結果

對上部結構進行評估時，將主梁、橋塔和斜拉索的權重系數設置為0.25∶0.25∶0.5，綜合安全評估指標得分

TS=75×0.25+100×0.25+100×0.5=93.75分

可見，斜拉橋的上部結構處于健康狀態，在所監測的時間內其狀態沒有發生惡化。

4.5 評估分析比較

基于五度指標[14]和3A指標的綜合性狀態評估方法，均判斷斜拉橋的上部結構處于穩定狀態，在研究的14 d時間內，上部結構的狀態沒有發生惡化。不同之處在于：五度指標[14]評估中，斜拉索的振蕩度指標不滿足要求;但是在3A指標的評估中，主梁的幅值偏移量指標不滿足要求，這意味著兩種指標的側重點有所不同。

通過分析可得，3A指標對主梁的要求高于斜拉索，而五度指標[14]對斜拉索的要求更高。斜拉橋在運營階段會由于各種因素引起結構損傷，進一步導致索力下降，通常可對其進行更換來保證橋梁安全。而主梁作為永久部件，發生損傷時不可輕易更換，其重要性會隨時間而增加。因此，當所評估橋梁運營時間較長時，更適合使用3A指標進行評估。

5 結論

針對目前大跨度橋梁狀態評估時數據處理量大、評價困難的難題，提出了3A指標和綜合安全評估指標，對某斜拉橋的上部結構進行評估。通過與已有的五度指標評估結果進行對比，驗證了所提指標的可行性和合理性。

1）提出的3A指標（幅值偏移量、異常度、均值波動）公式簡單易懂，計算方便，便于工程人員現場快速判斷橋梁狀況。

2）不僅對斜拉橋上部結構各部件進行評價，還將各類部件視為一個整體，根據各部件的重要性賦予不同的權重系數，評估方法更全面。

3）對斜拉橋上部結構的評估結果與已有五度指標的評估結果基本一致，可為類似大跨度橋梁的狀態評估提供方法依據。參考文獻：

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（編輯 胡玲）