羅艷利

（上海巨一科技發(fā)展有限公司,上海市 200031）

0 引言

隨著橋梁結(jié)構(gòu)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，在傳統(tǒng)的以人工為主的日常檢測(cè)養(yǎng)護(hù)工作基礎(chǔ)上，我國(guó)重要的長(zhǎng)大橋梁基本都建立了結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前已有超過(guò)200座大跨度橋梁安裝了結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]。運(yùn)營(yíng)期產(chǎn)生的海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，具有可追溯性、客觀性、數(shù)據(jù)量大，準(zhǔn)確性和正確性好等特點(diǎn)，應(yīng)該是長(zhǎng)大橋梁安全及技術(shù)狀況評(píng)估的優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)源。結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)評(píng)估的最終目的是為結(jié)構(gòu)安全定調(diào)，為養(yǎng)護(hù)管理決策服務(wù)。當(dāng)前問(wèn)題在于如何應(yīng)用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確、有效評(píng)估。規(guī)范《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[2]（JTG/T H21-2011，以下簡(jiǎn)稱“評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)”）提出采用分層綜合評(píng)定與單項(xiàng)指標(biāo)控制相結(jié)合的方法對(duì)橋梁技術(shù)狀況進(jìn)行評(píng)定，適用于各級(jí)公路的橋梁技術(shù)狀況評(píng)定，但該規(guī)范中所有構(gòu)件的評(píng)估指標(biāo)均來(lái)源于傳統(tǒng)的人工檢測(cè)（常規(guī)的表觀病害檢查、定期檢測(cè)和特殊檢測(cè)）結(jié)果，而未考慮自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為指標(biāo)輸入的評(píng)估。為了有效應(yīng)用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估，當(dāng)前已有不少學(xué)者進(jìn)行了各方面的研究和應(yīng)用，如李愛(ài)群及其科研團(tuán)隊(duì)以潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋監(jiān)測(cè)海量數(shù)據(jù)為主要研究對(duì)象，重點(diǎn)開(kāi)展橋梁監(jiān)測(cè)海量數(shù)據(jù)的分析與評(píng)估研究[3]，王瑀等提出橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的在線結(jié)構(gòu)分析及狀態(tài)評(píng)估方法[4]。這些方法主要是通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，將提取的評(píng)估指標(biāo)通過(guò)模糊推理、專家評(píng)估系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、可靠度理論等方法與結(jié)構(gòu)有限元模型分析結(jié)果或結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，從而確定結(jié)構(gòu)健康狀況或進(jìn)行損傷識(shí)別。

本文提出的基于《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的長(zhǎng)大橋梁在線評(píng)估體系，遵照評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)所制定的原則，首先將長(zhǎng)大橋梁按結(jié)構(gòu)獨(dú)立受力原則劃分為若干評(píng)估單元，再對(duì)各評(píng)估單元采用分層綜合評(píng)估與單項(xiàng)指標(biāo)控制相結(jié)合的方法進(jìn)行評(píng)估，重點(diǎn)是在構(gòu)件評(píng)估指標(biāo)中，擴(kuò)充了以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為輸入的評(píng)估指標(biāo)，使構(gòu)件評(píng)估指標(biāo)涵蓋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)的人工檢測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類指標(biāo)設(shè)定了合適的在線評(píng)估器和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，最終在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中通過(guò)增加在線評(píng)估功能模塊，由軟件編程實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)大橋梁自動(dòng)在線評(píng)估。

1 在線評(píng)估體系

本文所提出的在線評(píng)估體系遵照評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)制定的原則，對(duì)于長(zhǎng)大橋梁，首先根據(jù)橋梁中的結(jié)構(gòu)形式，按獨(dú)立受力原則，將長(zhǎng)大橋梁劃分為若干評(píng)估單元；然后根據(jù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，按評(píng)估單元結(jié)構(gòu)形式確定構(gòu)件分類、評(píng)估權(quán)重等信息；再是根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置情況，結(jié)合評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)確定構(gòu)件評(píng)估指標(biāo)和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)（包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類評(píng)估指標(biāo)，該類指標(biāo)需確定合適的在線評(píng)估器和針對(duì)性的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)下述）；最后按分層綜合評(píng)估與單項(xiàng)指標(biāo)控制相結(jié)合的方法逐一對(duì)各評(píng)估單元進(jìn)行評(píng)估。該評(píng)估體系借鑒評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的層次劃分原則，評(píng)估框架和層次間的遞推規(guī)則均按評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的要求，但對(duì)構(gòu)件評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行了拓展，使構(gòu)件評(píng)估指標(biāo)涵蓋自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)的人工檢測(cè)數(shù)據(jù)，為已建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)大橋梁技術(shù)狀況評(píng)估提供參考。該評(píng)估體系已通過(guò)編制相應(yīng)的軟件模塊在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)評(píng)估，并且在軟件模塊中，授權(quán)用戶可根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)選擇合適的在線評(píng)估器，并可對(duì)底層評(píng)估指標(biāo)和頂層評(píng)估單元的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行修正，從而更全面、準(zhǔn)確的對(duì)長(zhǎng)大橋梁進(jìn)行在線評(píng)估，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為橋梁養(yǎng)護(hù)管理決策服務(wù)的目的。

1.1 評(píng)估單元?jiǎng)澐?/h3>

根據(jù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估層次，底層對(duì)象評(píng)估指標(biāo)的所有信息都是附著在構(gòu)件上的，針對(duì)長(zhǎng)大橋梁，構(gòu)件數(shù)量眾多，要想達(dá)到準(zhǔn)確評(píng)估并給出針對(duì)性的合理養(yǎng)護(hù)建議，必須對(duì)整體橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理劃分。源于電子化、網(wǎng)格化、高效化養(yǎng)護(hù)管理的理念，以一聯(lián)獨(dú)立及完整受力為原則，將長(zhǎng)大橋梁按結(jié)構(gòu)形式劃分為若干評(píng)估單元，通常一跨簡(jiǎn)支梁、一聯(lián)連續(xù)梁、一聯(lián)剛構(gòu)、一座斜拉橋可作為一個(gè)評(píng)估單元。

1.2 分層綜合評(píng)估方法

本文提出的在線評(píng)估體系沿用評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的分層綜合評(píng)估方法，評(píng)估層次分為評(píng)估單元層-部位層（上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和橋面系）-部件層（根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)型式確定）-構(gòu)件層-評(píng)估指標(biāo)層，共五層。評(píng)估時(shí)，首先根據(jù)監(jiān)檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)或在線評(píng)估器對(duì)構(gòu)件評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，然后根據(jù)各評(píng)估指標(biāo)的評(píng)估標(biāo)度對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行評(píng)估，再對(duì)各部件進(jìn)行評(píng)估，再對(duì)橋面系、上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行評(píng)估，最后進(jìn)行評(píng)估單元總體狀況的評(píng)估。各層次間評(píng)分遞推規(guī)則按評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定執(zhí)行，所有評(píng)估層次的評(píng)分均通過(guò)編制的軟件模塊由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在線自動(dòng)完成，且其中頂層（評(píng)估單元）和底層（評(píng)估指標(biāo)）的評(píng)分可由橋梁結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)需要進(jìn)行人工修正。

1.3 在線評(píng)估器

根據(jù)評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)源，評(píng)估指標(biāo)可劃分為外觀檢查病害類評(píng)估指標(biāo)、人工檢測(cè)數(shù)據(jù)類評(píng)估指標(biāo)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類評(píng)估指標(biāo)。對(duì)于前兩類評(píng)估指標(biāo)，其數(shù)據(jù)來(lái)源為傳統(tǒng)人工檢測(cè)方法獲取，數(shù)據(jù)時(shí)效性較差（視檢測(cè)項(xiàng)目的檢測(cè)周期定），在進(jìn)行評(píng)估單元在線評(píng)估時(shí)，可讀取各指標(biāo)最近一次檢測(cè)結(jié)果，按評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，確定指標(biāo)的評(píng)估標(biāo)度類別；而對(duì)于自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類評(píng)估指標(biāo)，則需根據(jù)評(píng)估時(shí)段內(nèi)指標(biāo)相應(yīng)的所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，選擇合適的在線評(píng)估器（如可靠度評(píng)估器、隸屬度評(píng)估器）進(jìn)行評(píng)分，再根據(jù)評(píng)估分值（百分制）按指標(biāo)評(píng)估標(biāo)度表確定指標(biāo)的評(píng)估標(biāo)度。某混凝土連續(xù)箱梁的評(píng)估層次、評(píng)估指標(biāo)分類、示例及評(píng)估說(shuō)明見(jiàn)圖1。

圖1 在線評(píng)估層次、評(píng)估指標(biāo)分類、示例及評(píng)估說(shuō)明

1.3.1 可靠度評(píng)估器

可靠性[5-6]的數(shù)量描述一般用可靠度，可靠度是結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率?？煽慷鹊臎Q定因素是構(gòu)件綜合抗力和荷載效應(yīng)，這些因素又進(jìn)一步分為材料性能不定性、構(gòu)件幾何尺寸不定性、計(jì)算模式不定性及荷載分布的變異性等。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，影響構(gòu)件可靠度因素常為多個(gè)隨機(jī)變量。在橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括應(yīng)變、位移、溫度、風(fēng)速等，統(tǒng)計(jì)其分布規(guī)律大多為正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，因此可將這些監(jiān)測(cè)項(xiàng)目視為影響構(gòu)件可靠度的評(píng)估指標(biāo)[7]，采用可靠度評(píng)估器進(jìn)行評(píng)估。在實(shí)際工程中，應(yīng)用可靠度評(píng)估器時(shí)，需首先確定評(píng)估指標(biāo)的抗力值（即該類指標(biāo)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)），然后根據(jù)抗力值和通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的指標(biāo)均值計(jì)算可靠度指標(biāo)β，并進(jìn)一步計(jì)算指標(biāo)評(píng)估分?jǐn)?shù)（fβ），從而確定指標(biāo)評(píng)估標(biāo)度。

1.3.2 隸屬度評(píng)估器

為了解決指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的不確定性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出基于模糊推理理論、通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析確定指標(biāo)隸屬度函數(shù)的方法進(jìn)行評(píng)估指標(biāo)的評(píng)分。這一類指標(biāo)評(píng)估器統(tǒng)稱為隸屬度評(píng)估器，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，視指標(biāo)具體情況，通過(guò)設(shè)置合理的空間分區(qū)門(mén)檻值（即模糊指標(biāo) a，b，c，d）和輸入、輸出隸屬度函數(shù)，對(duì)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，如淡丹輝[8]在東海大橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中提出的模糊推理系統(tǒng)（the fuzzy inference system）。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

東海大橋工程是上海國(guó)際航運(yùn)中心洋山深水港區(qū)一期工程的重要配套工程，全長(zhǎng)約31 km。東海大橋工程主要包括鋼箱梁斜拉橋、大跨度變高預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁和30～70 m預(yù)應(yīng)力混凝土等高度連續(xù)箱梁三大類結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)評(píng)估單元?jiǎng)澐忠?guī)則，橋梁總體劃分為182個(gè)評(píng)估單元，其中8個(gè)評(píng)估單元設(shè)置了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器。限于篇幅，本文以其中一個(gè)設(shè)置了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的評(píng)估單元——160 m跨副通航孔橋的為例，以其2014年12月的監(jiān)檢測(cè)數(shù)據(jù)為評(píng)估數(shù)據(jù)來(lái)源，通過(guò)編制的軟件程序模塊采用基于《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的長(zhǎng)大橋梁在線評(píng)估體系進(jìn)行評(píng)估。

160m跨副通航孔橋?yàn)?0m+160m+160m+90m變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，除傳統(tǒng)的人工檢測(cè)項(xiàng)目外，東海大橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在該評(píng)估單元各墩墩頂及兩個(gè)副通航孔跨中位置布設(shè)了靜力水準(zhǔn)儀，并選擇一個(gè)墩頂斷面和副通航孔跨中斷面設(shè)置結(jié)構(gòu)溫度計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該結(jié)構(gòu)段的墩臺(tái)沉降、跨中撓度和結(jié)構(gòu)溫度，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

根據(jù)監(jiān)測(cè)情況，該評(píng)估單元的在線評(píng)估體系設(shè)置中，除了評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中的構(gòu)件評(píng)估指標(biāo)外，在上部結(jié)構(gòu)的主梁TXL-002和主梁TXL-003構(gòu)件中，增加“跨中撓度”評(píng)估指標(biāo)，采用可靠度評(píng)估器進(jìn)行指標(biāo)評(píng)分；而在下部結(jié)構(gòu)的所有橋墩構(gòu)件中，增加“墩臺(tái)沉降”指標(biāo)，采用隸屬度評(píng)估器進(jìn)行指標(biāo)評(píng)分。根據(jù)2014年12月的監(jiān)檢測(cè)數(shù)據(jù)，160 m跨副通航孔橋在線評(píng)估結(jié)果為上部結(jié)構(gòu)評(píng)分88.44，下部結(jié)構(gòu)評(píng)分82.54，橋面系評(píng)分95.74，評(píng)估單元總體評(píng)分為87.54，結(jié)構(gòu)狀況為二類，說(shuō)明有輕微缺損，但對(duì)橋梁使用功能無(wú)影響。評(píng)估過(guò)程及上部結(jié)構(gòu)評(píng)估情況見(jiàn)圖3（下部結(jié)構(gòu)和橋面系的評(píng)估類似，限于篇幅，本文不再一一列出）。

3 結(jié)論

圖2 160 m跨副通航孔實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖

圖3 160 m跨副通航孔橋在線評(píng)估示例

本文在《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的基礎(chǔ)上，制定了將長(zhǎng)大橋梁按結(jié)構(gòu)形式劃分為若干受力獨(dú)立的評(píng)估單元的規(guī)則，然后以分層綜合評(píng)估方法為綱，對(duì)特定的底層評(píng)估指標(biāo)設(shè)計(jì)了能適用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為輸入的在線評(píng)估器。該體系對(duì)構(gòu)件評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行了拓展，使構(gòu)件評(píng)估指標(biāo)涵蓋海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)的人工檢測(cè)數(shù)據(jù)，從而更全面、準(zhǔn)確的對(duì)長(zhǎng)大橋梁進(jìn)行在線評(píng)估。所編制的軟件模塊中，用戶還可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)底層指標(biāo)和評(píng)估單元的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行修正，并可根據(jù)海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)對(duì)評(píng)估指標(biāo)選擇合適的在線評(píng)估器。以東海大橋副通航孔橋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的評(píng)估結(jié)果表明，經(jīng)該體系得出的評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確、客觀、合理，驗(yàn)證了在線評(píng)估體系的正確性和適用性。

[1]孫利民,周毅.中國(guó)橋梁工程學(xué)術(shù)研究綜述·2014，8.1節(jié)橋梁健康監(jiān)測(cè)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)特刊,2014.

[2]JTG/T H21-2011,公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]李愛(ài)群,丁幼亮,王浩,等.橋梁健康監(jiān)測(cè)海量數(shù)據(jù)分析與評(píng)估—“結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)”研究進(jìn)展[J].中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué),2012,42(8)：972-984．

[4]王瑀,荊國(guó)強(qiáng),王波.橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在線結(jié)構(gòu)分析及狀態(tài)評(píng)估方法[J].橋梁建設(shè),2014,44(1)：25-30.

[5]Mark G.Stewart.Reliability-based assessment of ageing bridges using risk ranking and life cycle cost decision analyses[J].Reliability engineering,2001,74(3)：263-273.

[6]M H Faber.Reliability based assessment of existing structure safely and reliability[J].2000(2)：247-253.

[7]Liu,M.,Frangopol,D.M.,Kim,S..Bridge System Performance Assessment from Structural Health Monitoring：A Case Study[J].J.Struct.Eng.,2009(6)：733-742.

[8]Danhui Dan,Limin Sun,Zhifang Yang.The application of a fuzzy inference system and analytical hierarchy process based online evaluation framework to the Donghai Bridge Health Monitoring System[J].Smart Structures and Systems,2014，14(2)：129-144.