考慮部件相關性的斜拉橋狀態評估

伊西艷, 汪 炳, 劉小玲

考慮部件相關性的斜拉橋狀態評估

伊西艷1, 汪 炳2, 劉小玲1*

（1.寧波大學 海運學院, 浙江 寧波 315832; 2.寧波大學 土木與環境工程學院, 浙江 寧波 315211）

為提高斜拉橋評估可靠性, 開展考慮部件相關性的斜拉橋狀態評估研究. 首先建立斜拉橋系統各部件故障傳遞有向圖, 基于Pagerank算法分析各部件相關性, 得到部件的影響度和被影響度; 其次, 針對人工檢查指標, 建立分段線性扣分評定標準, 針對健康監測指標, 根據力學模型設定主梁撓度和索力的評定標準; 最后, 考慮部件單獨產生的故障率和其他部件故障被影響度, 提出一種融合部件相關性的斜拉橋狀態評估方法. 以某特大跨徑鋼結構斜拉橋為例, 用改進方法和相關評定規范進行評定對比. 結果表明, 主梁線形、索力和索塔線形的被影響度和影響度都較大, 是橋梁健康監測的重要指標; 主梁外觀檢查和支座被影響度大、影響度小, 是故障表象部件, 在預防性養護時要著重關注; 排水系統和機電設施被影響度小、影響度大, 是故障源部件, 需持續保持良好狀態. 本文建立的評估方法指標全面, 考慮了部件的相關性, 因此評估結果更加可靠, 可為橋梁養護決策提供依據.

斜拉橋; 狀態評估; 相關性; Pagerank算法

斜拉橋是現代橋梁的一種重要形式, 目前我國已成為擁有斜拉橋最多的國家[1]. 然而, 隨著斜拉橋使用年限的增加, 環境侵蝕和反復荷載作用對材料和部件易造成老化、損傷等問題, 甚至引發坍塌等嚴重的橋梁事故[2]. 因此, 對斜拉橋進行及時、準確的評估和維修養護至關重要.

目前, 工程上對斜拉橋的狀態評估往往采用規范的方法[3], 該方法基于層次分析法確定, 具有指標明確、操作簡單的優點, 因而被廣泛應用. 但該方法存在主觀成分大、未考慮指標之間相關性等問題[4]. 基于此, 有學者提出了模糊層次分析法[5]、神經網絡法[6]、可靠度理論評估方法[7]來弱化主觀偏差; 有學者采用證據推理理論[8]來解釋人工檢查與健康監測信息間的冗余或矛盾信息. 而事實上, 斜拉橋為高次超靜定組合結構, 結構受力復雜[9], 各部件之間具有較強的相關性, 例如拉索損傷會對斜拉橋索力及主梁撓度產生影響[10]; 斜拉橋中的索力控制斜拉橋內力分布及橋形變化[11]; 輔助墩對斜拉橋的結構受力會產生影響[12]等. 但目前學者們所提的評估方法并未考慮各部件之間復雜的相關性對斜拉橋整體結構的影響, 同時, 各部件之間的相互影響關系尚不明確.

關于部件相關性目前在工程故障診斷領域研究已較為深入, 通常采用Pagerank算法[13-14], 該算法具有原理簡單、計算量少的特點, 可以實現各部件的重要性排序.

鑒于此, 本文在規范評估方法的基礎上, 基于Pagerank算法考慮斜拉橋各部件之間的相關性, 得到各指標之間的影響度和被影響度, 進而提出改進的斜拉橋狀態評估方法, 并以某斜拉橋為例, 進行評估驗證.

1 基于Pagerank算法的部件相關性

Pagerank算法用于計算網頁中從其他頁面跳轉到此頁面的概率, 其主要原理是如果頁面A能夠鏈接到頁面B, 那么將認為頁面A傳遞給頁面B一個重要度值(PR值), 且會根據鏈接關系一直迭代計算, 直至平穩. 基于此原理, 斜拉橋各部件之間的相互影響關系便可以看成互聯網中頁面的相互鏈接關系, 故障沿著關系路徑進行傳遞, 通過對斜拉橋各部件間故障退化相關度分析來為后續評分提供可靠數據.

基于上述思想, 建立斜拉橋各部件故障傳遞有向圖, 根據Pagerank算法可以通過概率轉移矩陣的迭代計算來求解部件間相關度[15]:

式中: E為元素均為1的n×1階矩陣; n為系統部件個數; d為阻尼因子, 參考相關文獻[15]取為0.3; 為等概率轉移矩陣; 各個節點的初始PR值為; 表示第x+1次迭代所得的各個節點的重要度所組成的n×1階矩陣. 圖1給出了算法實現的流程.

斜拉橋部件間相關性分為被影響度K與影響度I,K表征了某部件受其他部件故障傳遞影響而出現故障的概率程度,I代表了某部件對其他部件產生影響的概率. 借助Pagerank算法, 參考式(1), 得到K和I的迭代計算公式:

本文使用冪法來求解K、I值. 一般來講, PR初始值并不會影響最終PR值的收斂性和最終的排序, 所以一般取K、I初值為×1階元素全為1的矩陣.

2 斜拉橋狀態評估方法

基于層次分析法的斜拉橋狀態評估需確定指標體系、指標權重和指標評定標準, 然后考慮綜合評估.

2.1 斜拉橋評估指標體系

斜拉橋評估指標體系中一般含有一級指標和二級指標. 總結前人關于這兩個指標的研究成果, 最常用的一級指標按照主要部件劃分得出. 本文也采用這種方式, 一級指標分別為斜拉索系統、主梁、索塔、下部結構、附屬設施.

二級指標因橋梁部件材料、評估的關注點不同導致劃分結果相差較大. 本文的研究對象為鋼結構斜拉橋, 融合人工檢查和健康監測數據, 參考文獻[16]的研究結果, 得到指標體系和對應權重, 具體如圖2所示.

2.2 關鍵指標評定標準

在《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG/T H21-2011)[3](以下簡稱《評定標準》)中, 病害的評定標準分成3級到5級的扣分方式, 主觀性較大. 為能夠更客觀地得到病害的扣分值, 本文采用以規范中的病害嚴重程度為橫軸, 以相應評定標度為縱軸的分段線性扣分模式. 以斜拉索護套漆膜損壞這一病害指標為例, 圖3給出了其評定標準.

圖2 斜拉橋狀態評估指標體系

圖3 斜拉索護套漆膜損壞的評定標準

而新引入的健康監測指標需建立新的評定標準. 以索力和撓度為例, 它們是斜拉橋安全評估中的重要指標, 本文取最長索索力和主梁跨中撓度作為評估指標. 對于索力, 在《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21-2011)[17]中僅規定索力變化率超過10％時需要進一步檢查. 參考《公路斜拉橋設計規范》(JTG/T 3365-01-2020)[18]中汽車荷載引起的鋼梁主梁豎向撓度限值, 即最大撓度極限為斜拉橋鋼梁跨度()的1/400, 以鋼梁主梁豎向撓度值滿足/400為第5類等級標準, 根據斜拉橋受力分析, 可以得到當主梁撓度值滿足/400時, 相對應的最長索索力變化率為30％左右. 因此以索力變化率超過30％時扣100分為標準, 并按照一定的梯度建立最長索索力變化率的評定標準, 如圖4所示. 根據實際結構力學模型計算, 得到相應索力變化率對應的撓度值, 從而得到撓度的評定標準, 具體如圖5所示.

圖4 索力變化率的評定標準

圖5 主梁撓度的評定標準

2.3 評估方法

在整個斜拉橋系統中, 因各部件間具有相關性, 斜拉橋各部件的綜合故障率包括兩個方面, 一方面是各部件本身出現故障而產生的故障率, 另一方面是由于其他部件的故障相關性而產生的故障率. 那么與部件單獨故障情況相比, 斜拉橋整體的故障率受部件相關性影響而會增大, 因此所得到的評分結果就會降低. 參考葉鵬[19]提出的設備部件獨立故障率計算方法, 將此引入到斜拉橋狀態評估中. 由此考慮相關性的部件評分結果可表示為部件單獨故障評分結果減去其他部件對其產生的故障影響, 具體如下所述.

得到每個部件的得分S之后, 按照相應的權重分配得到最終的一級指標及橋梁整體得分.

3 評估示例

3.1 橋梁背景信息

以江蘇省某特大跨徑雙塔雙索面鋼結構斜拉橋為例, 采用考慮部件相關性評估方法對其進行評估. 該橋主橋全長1288m, 為鋼塔鋼箱梁結構, 全橋鋼結構采用Q345D鋼, 斜拉索呈東西側對稱布置, 采用7mm鍍鋅高強度低松弛鋼絲, 下部結構中采用樁柱式墩臺, 鉆孔灌注樁基礎. 該橋于2005年建成通車.

圖6 某特大跨徑斜拉橋病害情況

背景橋在2013年檢測到的主要病害情況[20]如圖6所示. 其中斜拉索系統檢測出的護套病害類型大多為斜拉索鋼護筒防銹漆脫落, 約占總病害的16.1％, 同時也有涂層劣化、防腐油脂滲漏等病害; 鋼箱梁內部接縫處出現多處涂裝層銹蝕、漏油、油漆脫落等病害, 其中涂裝層銹蝕最長3.0m. 鋼箱梁桁架式多出現過焊孔開裂、裂紋、孔洞、刮傷等病害, 其中有73.6％的箱室出現斜腹桿開裂; 索塔病害最多的為涂層劣化和螺栓銹蝕或松動, 分別存在于55.8％和42.3％的箱室中; 下部結構中, 支座出現墊石混凝土破損, 橋墩局部出現混凝土脹裂、破損等病害; 附屬設施中護欄防銹漆脫落、刮傷, 伸縮縫垃圾填塞, 排水系統一處防護網破損, 橋面鋪裝層發現兩條5m長的縱向裂縫, 有0.16％的油污、滲水等.

另外, 對該橋的索力、主梁線形和索塔線形的監測情況如下: 上游側索力測試總和與下游側索力測試總和基本一致, 不均勻度不超過單側總索力的2％, 結構索力總體表現平穩; 主梁撓度出現下沉, 至2013年10月, 跨中撓度下降了80mm; 對于索塔線形, 塔頂偏位暫無異常.

3.2 狀態評估過程

3.2.1 系統部件間相關度值求解

基于Pagerank算法, 可將整個背景橋評估系統抽象成由個部件和鏈接關系組成的有向圖(,), 根據斜拉橋系統的組成結構, 可以得到圖7所示的各部件連接圖. 結合相關文獻對橋梁各部件間影響關系的研究結果, 進一步對各部件間的故障傳遞關系進行分析, 可以得到部件之間是否有直接的退化影響, 從而得到斜拉橋系統各部件故障傳遞有向圖, 如圖8所示.

圖7 斜拉橋各部件連接圖

圖8 斜拉橋系統各部件故障傳遞有向圖

對于具有個節點的故障傳遞有向圖, 其鄰接矩陣可以用×的矩陣表示[15].

同時狀態等概率轉移矩陣也可求出(式(6)).

根據式(3), 得到各部件的I值. 表1給出了各部件被影響度和影響度. 由表1可以看出, 主梁線形、索力和索塔線形的被影響度和影響度都比較大, 說明這3個指標影響范圍較廣, 因此對橋梁進行健康監測, 特別是監測這3個指標的變化尤其重要; 主梁外觀檢查和支座被影響度大、影響度小, 是故障表象部件, 最容易受其他部件故障的影響, 容易反映出結構的異常狀況, 因此預防性養護時要著重關注這兩個部件的狀態; 排水系統和機電設施則相反, 被影響度小、影響度大, 是故障源部件, 當此類部件出現故障時易導致其他部件也出現故障, 例如排水系統不暢、機電設施停電會進一步加速鋼結構的銹蝕, 因此在日常檢查中需保持這兩個部件的良好工作狀態.

表1 各部件被影響度及影響度

3.2.2 橋梁狀態評分

根據背景橋的病害情況, 按照《評定標準》和本文所提關鍵指標的評定標準對相關部件進行評定, 最終得到各二級指標的獨立故障得分, 然后按照第2.3節所述, 將數據代入式(4), 最終得到基于Pagerank算法考慮部件相關性的橋梁評定結果, 見表2.

表2 考慮部件相關性的評定結果

3.3 狀態評估結果分析

從一級指標和總體評分、附屬設施各部件方面分別用《評定標準》和本文所提方法進行評估結果對比, 具體如圖9所示.

一級指標和總體評分結果對比顯示, 斜拉索系統、主梁、索塔的評分存在較大差異, 其他基本相同, 這主要是因為改進的指標體系中增加了主梁撓度、索力和索塔線形等健康監測指標, 主梁線形和索力的被影響度和影響度都較大, 因此監測指標的評分值高低會影響部件之間的相關性, 進而影響最終評定結果. 最終的橋梁總體評分本文結果為77.75, 三類橋, 《評定標準》的結果為85.3, 二類橋, 可見橋梁部件間的相關性對橋梁整體狀態有著不容忽視的影響. 附屬設施相比于《評定標準》增加了縱向阻尼裝置和機電設施, 各部件評分相差不大. 其中, 橋面鋪裝、伸縮縫裝置、排水系統和照明部件因受其他部件相關性的影響, 狀態評分會略顯降低.

相比于《評定標準》, 本文所提方法結合部件間的故障影響, 同時考慮了健康監測和人工檢查兩方面指標, 評估結果更加全面可靠, 可為橋梁后續的維修和保養提供依據.

4 結論

(1)提出了一種考慮部件相關性的斜拉橋狀態評估方法. 建立斜拉橋系統各部件故障傳遞有向圖, 基于Pagerank算法分析各部件相關性, 并根據斜拉橋各部件的綜合故障率包括各部件單獨產生的故障率及由于其他部件的故障相關性而產生的故障率這一原理, 建立起一種融合部件被影響度的斜拉橋狀態評估方法.

(2)針對人工檢查指標, 建立以規范中的定量指標病害嚴重程度值為橫軸, 以相應評定標度值為縱軸的分段線性扣分模式. 針對健康監測指標, 根據力學模型設定出主梁撓度和索力的評定標準, 撓度限值為400, 索力變化率限值為30％.

(3)通過部件間相關性的求解可知, 主梁線形、索力和索塔線形的被影響度和影響度都比較大, 說明這3個指標影響范圍較廣, 因此對橋梁進行健康監測尤為重要; 主梁外觀檢查和支座被影響度大、影響度小, 是故障表象部件, 在預防性養護時要著重關注; 排水系統和機電設施則相反, 被影響度小、影響度大, 是故障源部件, 在日常檢查中需著重關注.

(4)與規范相比, 本文所提方法考慮了健康監測和人工檢查兩方面指標, 使得斜拉橋主要部件評估結果更加可靠; 受部件相關性影響, 附屬設施評估結果有所降低. 這可為橋梁養護決策提供參考.

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Cable-stayed bridge condition evaluation considering component correlation

YI Xiyan1, WANG Bing2, LIU Xiaoling1*

( 1.Faculty of Maritime and Transportation, Ningbo University, Ningbo 315832, China; 2.School of Civil and Environmental Engineering, Ningbo University, Ningbo 315211, China )

To improve the reliability of cable-stayed bridge evaluation, the condition evaluation of cable-stayed bridge considering component correlation was carried out. Firstly, the directed diagram of fault transmission of each component in cable-stayed bridge system was established, and the correlation of each component was analyzed based on Pagerank algorithm to obtain the influencing degree and influenced degree of each component. Secondly, the piecewise linear deduction evaluation criteria of manual inspection indicators were established. For health monitoring indicators, the evaluation criteria of girder deflection and cable force were set according to mechanical model. Finally, considering the failure rate of individual components and the influenced degree of other component faults, a condition evaluation method with component correlation for cable-stayed bridge was proposed. Taking a super long-span steel cable-stayed bridge as an example, the proposed method was compared with the relevant evaluation specifications. The results show the influencing degree and influenced degree of girder alignment, cable force and tower alignment are great, which are important indicators for bridge health monitoring. Girder appearance inspection and bridge bearing have high influenced degree but low influencing degree, which are the fault appearance components. They should be paid attention to in preventive maintenance. The drainage system and electromechanical facilities are the fault source components that have low influenced degree and high influencing degree. They must be kept in good condition. The evaluation method established in this paper has comprehensive indicators and takes into account the correlation of components. Therefore, the evaluation results are more reliable and can provide basis for bridge maintenance decision-making.

cable-stayed bridge; status valuation; correlation; Pagerank algorithm

U446.2

A

1001-5132（2022）02-0043-08

2021?10?11.

寧波大學學報（理工版）網址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國家自然科學基金（51808301）; 浙江省自然科學基金（LQ19E080006）; 跨海大橋安全保障與智能運行學科創新引智基地（D21013）.

伊西艷（1997－）, 女, 山東臨沂人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 大跨徑橋梁的養護與評估研究. E-mail: yixiyan111@163.com

劉小玲（1988－）, 女, 江蘇連云港人, 副教授, 主要研究方向: 大跨徑橋梁的養護與評估研究. E-mail: liuxiaoling@nbu.edu.cn

（責任編輯 韓 超）