基于傳感器數(shù)據(jù)的橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)

馮永泉

（佛山市公路工程質(zhì)量監(jiān)測(cè)有限責(zé)任公司，廣東 佛山 528313）

在橋梁安全監(jiān)測(cè)中，各個(gè)截面位置數(shù)據(jù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全評(píng)定的影響程度有差異。選擇橋梁安全評(píng)估模型，基于海量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)安全判斷，并針對(duì)判斷結(jié)果給出相應(yīng)的策略是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估的基本流程。橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)估方法較多，如基于規(guī)范的常規(guī)評(píng)估方法、可靠度理論分析法、模糊綜合分析法等，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者基于此類方法獲得了較多的研究成果，已有研究成果結(jié)合了橋梁實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，但橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理、使用和分析問(wèn)題上目前還存在著一些問(wèn)題，如并未充分利用橋梁運(yùn)營(yíng)中海量監(jiān)測(cè)信息來(lái)反應(yīng)橋梁安全狀態(tài)等。為此，文章在以往橋梁安全評(píng)估指標(biāo)的基礎(chǔ)上，篩選關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)，通過(guò)布設(shè)傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，采用限值儲(chǔ)備量法就指標(biāo)的位置特性計(jì)算測(cè)點(diǎn)權(quán)重，進(jìn)行指標(biāo)無(wú)量綱打分，最終獲得橋梁安全的等級(jí)。

1 安全狀態(tài)評(píng)價(jià)理論

（1）層次分析法理論層次分析法是基于逐層分解的決策問(wèn)題，按照目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層等對(duì)其進(jìn)行定性及定量分析的一種方法。層次分析法根據(jù)特定的程序?qū)λx擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)按照分析過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，直到獲得各個(gè)因素的權(quán)重結(jié)果為止。所計(jì)算的權(quán)重值反映了指標(biāo)的重要程度，權(quán)重值越大對(duì)應(yīng)的因素越重要，就越受關(guān)注。

（2）基于數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的評(píng)語(yǔ)理論。

考慮測(cè)點(diǎn)位置差異時(shí)，需對(duì)不同測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理，具體量化處理標(biāo)準(zhǔn)如下所示。

上式中，x-指標(biāo)實(shí)測(cè)值，xmin、xmax-指標(biāo)打分限值，可取二級(jí)預(yù)警閾值，x0’、x0-指標(biāo)的最優(yōu)范圍，可取一級(jí)預(yù)警閾值（95%保證率的統(tǒng)計(jì)值），對(duì)應(yīng)評(píng)分為90分。

為將橋梁評(píng)分較低的關(guān)鍵部位損傷反應(yīng)出來(lái)，需將原有關(guān)鍵指標(biāo)的權(quán)重通過(guò)變權(quán)公式體現(xiàn)，具體如下：

上式中，V-指標(biāo)最終評(píng)分，wj（0）-指標(biāo)權(quán)重，xj-指標(biāo)評(píng)分，α-變權(quán)系數(shù)，取α=0.2，該值可用于多數(shù)橋梁工程。

（3）橋梁安全評(píng)估評(píng)分理論。橋梁狀況指數(shù)劃分了五類橋梁結(jié)構(gòu)完好程度，即A級(jí)（90～100分）、B級(jí)（80～89分）、C級(jí)（66～79分）、D級(jí)（0～65分）。

整個(gè)評(píng)分過(guò)程中，先對(duì)底層指標(biāo)評(píng)分，依據(jù)傳感實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)按照具體的評(píng)定規(guī)則進(jìn)行，再依據(jù)指標(biāo)權(quán)重逐級(jí)累計(jì)最終獲得整個(gè)橋梁的安全評(píng)分。

2 橋梁安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重

2.1 橋梁安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

為科學(xué)評(píng)估橋梁安全狀態(tài)，基于研究對(duì)象的自身技術(shù)要求、監(jiān)測(cè)內(nèi)容、當(dāng)?shù)厣鐣?huì)環(huán)境等因素，通過(guò)查閱20篇相關(guān)期刊、碩士論文及5篇橋梁結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)評(píng)估報(bào)告等內(nèi)容初步確定了文章研究的評(píng)價(jià)因素內(nèi)容。將橋梁監(jiān)測(cè)指標(biāo)分為環(huán)境指標(biāo)及結(jié)構(gòu)指標(biāo)兩大類，包括應(yīng)變、裂縫、撓度、加速度、傾角、位移、溫濕度。

目標(biāo)層：基于傳感器數(shù)據(jù)的橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)；

一級(jí)指標(biāo)：環(huán)境指標(biāo)（B1）、結(jié)構(gòu)指標(biāo)（B2）；

二級(jí)指標(biāo)（環(huán)境指標(biāo)次級(jí)指標(biāo)）：溫度監(jiān)測(cè)B11、濕度監(jiān)測(cè)B12；

二級(jí)指標(biāo)（結(jié)構(gòu)指標(biāo)次級(jí)指標(biāo)）：位移監(jiān)測(cè)B21、撓度變形監(jiān)測(cè)B22、裂縫監(jiān)測(cè)B23、應(yīng)力監(jiān)測(cè)B24、振動(dòng)監(jiān)測(cè)B25、傾角監(jiān)測(cè)B26。

2.2 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

結(jié)合層次分析法理論中因素對(duì)比界定結(jié)果，形成指標(biāo)間的矩陣關(guān)系。B2因素比B1因素明顯重要，重要性標(biāo)度為5。則可形成2個(gè)因素的比較矩陣，并且矩陣一致性檢驗(yàn)滿足要求。

計(jì)算形成的比較矩陣向量值，其值為一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重大小。為便于計(jì)算，采用Matlab，結(jié)果為：

準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重：wB=（0.2，0.8）；同理可得二級(jí)指標(biāo)因素的權(quán)重大小：wB1=（0.6，0.4），wB2=（0.188，0.182，0.176，0.193，0.142，0.126）。

2.3 基于傳感器數(shù)據(jù)下的底層評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

受到測(cè)點(diǎn)位置影響，不同測(cè)點(diǎn)處的數(shù)據(jù)對(duì)橋梁指標(biāo)的評(píng)分影響會(huì)有差異，如跨中位移較支點(diǎn)位移數(shù)據(jù)對(duì)評(píng)價(jià)橋梁安全程度更具參考價(jià)值。文章結(jié)合傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用限值儲(chǔ)備量法、限值儲(chǔ)備度進(jìn)行測(cè)定位置權(quán)重的判斷。

2.3.1 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)權(quán)重

采用限值儲(chǔ)備量法，基于海量測(cè)試數(shù)據(jù)篩選各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變極值，再換算為對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力值，同時(shí)與混凝土抗拉強(qiáng)度極大值做差，差值結(jié)果即為各個(gè)測(cè)點(diǎn)的強(qiáng)度儲(chǔ)備值，進(jìn)而構(gòu)造相應(yīng)的矩陣來(lái)獲得測(cè)點(diǎn)位置權(quán)重。

2.3.2 位移測(cè)點(diǎn)權(quán)重

《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG_3362-2018）中規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在各荷載組合下的撓度限值可采用1/600計(jì)算跨徑。故而可參考此規(guī)定獲得各個(gè)部位的位移測(cè)點(diǎn)規(guī)范限值。比如對(duì)跨中梁截面，可取1/600計(jì)算跨徑為位移規(guī)范限制，其余部分可按照線性插值求得，其中支座處限值可取1/8跨中限值。

采用限值儲(chǔ)備度法，將測(cè)點(diǎn)位移有限元計(jì)算值和規(guī)范限值二者作商，將商值構(gòu)造重要性矩陣，再計(jì)算各位移測(cè)點(diǎn)的權(quán)重。

2.3.3 加速度測(cè)點(diǎn)權(quán)重

采用限制儲(chǔ)備度法，即將加速度實(shí)測(cè)值和規(guī)范限制作商，依據(jù)商值構(gòu)造重要性矩陣，再計(jì)算各測(cè)點(diǎn)加速度的權(quán)重。

同理，均采用限制儲(chǔ)備度法獲取其他指標(biāo)的權(quán)重。

3 橋梁安全評(píng)估實(shí)例

3.1 實(shí)例概況

3.1.1 橋跨信息

廣三高速公路雅瑤立交A匝道橋位于廣三高速公路起點(diǎn)處，跨越廣佛高速公路，是從廣三高速轉(zhuǎn)入廣佛高速的一座匝道橋。該橋全長(zhǎng)1 001.64 m，橋跨組合為22×16 m預(yù)應(yīng)力空心板+2×28.875 m預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁+（36+56+36）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)+26.5 m預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁+21.75 m預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁+5×26.5 m預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁+15×16 m預(yù)應(yīng)力空心板+26.5 m預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁+16 m預(yù)應(yīng)力空心板組成。橋臺(tái)為輕型埋置式橋臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；橋墩為雙柱橋墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

3.1.2 技術(shù)指標(biāo)

（1）車輛荷載：汽車-超20級(jí)；掛車-120。（2）橋面總寬：9.6 m。（3）設(shè)計(jì)地震烈度：7度，地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g。

3.1.3 橋梁健康狀況監(jiān)測(cè)內(nèi)容

通過(guò)實(shí)時(shí)采集的安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立橋梁安全評(píng)價(jià)、預(yù)警模型，并通過(guò)安全預(yù)警系統(tǒng)記錄大橋與環(huán)境的作用，其中包括結(jié)構(gòu)應(yīng)力（應(yīng)變）、撓度、橋墩傾角、振動(dòng)等的影響。部分監(jiān)測(cè)內(nèi)容如下：

環(huán)境監(jiān)測(cè)：橋梁所在地區(qū)的溫濕度、風(fēng)向風(fēng)速等；

位移監(jiān)測(cè)：梁體的縱向位移；

裂縫監(jiān)測(cè)：主梁上的裂縫；

振動(dòng)監(jiān)測(cè)：橋址處風(fēng)荷載等隨機(jī)荷載以及交通荷載作用下激振引起的結(jié)構(gòu)微小振動(dòng)響應(yīng)；

應(yīng)力監(jiān)測(cè)：橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下梁體結(jié)構(gòu)及橋墩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值。

3.1.4 現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)內(nèi)容測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)試采用溫濕度傳感器、傾角傳感器、應(yīng)力傳感器、振動(dòng)傳感器、裂縫傳感器、動(dòng)態(tài)撓度傳感器、應(yīng)變采集儀等。選取多跨橋梁進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，布設(shè)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.2 實(shí)例評(píng)估分析

（1）應(yīng)變測(cè)點(diǎn)權(quán)重計(jì)算。對(duì)A匝道橋各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變實(shí)測(cè)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)的強(qiáng)度儲(chǔ)備量。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的權(quán)重確定采用限值儲(chǔ)備量法。在計(jì)算各截面所占權(quán)重的過(guò)程中，將每個(gè)截面測(cè)點(diǎn)中的強(qiáng)度儲(chǔ)備量最小值作為該截面的強(qiáng)度儲(chǔ)備量。

選擇其中一跨進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的最優(yōu)范圍、最值，再根據(jù)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)按照上述計(jì)算方法形成截面強(qiáng)度儲(chǔ)備。各截面的強(qiáng)度儲(chǔ)備量如下：

按照支座、1/4跨、跨中、3/4跨位置，上部測(cè)點(diǎn)的強(qiáng)度儲(chǔ)備值分別為：2.33 MPa、2.39 MPa、2.6 MPa、2.37 MPa；中部測(cè)點(diǎn)的強(qiáng)度儲(chǔ)備值分別為：2.27 MPa、2.32 MPa、2.51 MPa、2.3 MPa；下 部測(cè)點(diǎn)的強(qiáng)度儲(chǔ)備值分別為：2.01 MPa、2.12 MPa、2.28 MPa、2.08 MPa；儲(chǔ)備量最小值分別為：1.61 MPa、1.33 MPa、1.66 MPa、1.38 MPa。

得到各截面的強(qiáng)度儲(chǔ)備量后，構(gòu)造層次分析判斷矩陣，對(duì)各截面的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算。各截面的重要性判斷矩陣為：

B集指標(biāo)一致性檢驗(yàn)結(jié)果：CR=0.011＜0.1，滿足要求。

計(jì)算判斷矩陣的向量值，即可得到二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重大小，這里采用Matlab計(jì)算，即：

準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重：wB12=（支座，1/4跨，跨中，3/4跨）=（0.135，0.225，0.378，0.26），在此不贅述計(jì)算過(guò)程，得到橋梁的各位移測(cè)點(diǎn)權(quán)重結(jié)果為：wB11=（支座，1/4跨，跨中，3/4跨）=（0.127，0.238，0.389，0.246）。各加速度測(cè)點(diǎn)權(quán)重結(jié)果：wB22=（支座，1/4跨，跨中，3/4跨）=（0.153，0.235，0.373，0.239）。

（2）安全評(píng)估。根據(jù)上述安全狀態(tài)評(píng)估準(zhǔn)則，對(duì)該橋梁監(jiān)測(cè)段2020年11月1～12月1日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全狀態(tài)評(píng)估。以應(yīng)變?yōu)槔雀鶕?jù)無(wú)量綱化評(píng)分模型，得到各位移測(cè)點(diǎn)的評(píng)分，即支座、1/4跨、跨中、3/4跨的評(píng)分分別為：93.2、92.7、98.6、96.9，再根據(jù)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的權(quán)重求得均分為95.35分。

同理，其他的位移、加速度等不再贅述，最終獲得整個(gè)監(jiān)測(cè)段的安全狀態(tài)結(jié)果。

4 小結(jié)

（1）根據(jù)A匝道橋橋梁健康狀況監(jiān)測(cè)及結(jié)構(gòu)安全預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)方案篩選了包括應(yīng)變、裂縫、撓度、加速度、傾角、位移、溫濕度在內(nèi)的8項(xiàng)橋梁安全評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（2）考慮到不同測(cè)點(diǎn)的差異性，基于大量的傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合限值儲(chǔ)備量及限值儲(chǔ)備度法進(jìn)行了不同截面的8項(xiàng)安全指標(biāo)的權(quán)重分析，并獲得了各個(gè)指標(biāo)的變權(quán)分?jǐn)?shù)，再結(jié)合綜合指標(biāo)權(quán)重求得了整個(gè)實(shí)例橋梁的變權(quán)總分，根據(jù)橋梁安全判斷準(zhǔn)則將實(shí)例橋梁的安全判斷為良好等級(jí)。