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)自動化監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，在傳統(tǒng)的以人工為主的日常檢測養(yǎng)護(hù)工作基礎(chǔ)上，我國重要的長大橋梁基本都建立了結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前已有超過200座大跨度橋梁安裝了結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)[1]。運(yùn)營期產(chǎn)生的海量監(jiān)測數(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，應(yīng)該是長大橋梁安全及技術(shù)狀況評估的優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)來源。結(jié)構(gòu)監(jiān)測評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)前問題在于如何應(yīng)用監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確、有效評估。規(guī)范《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》[2]（JTG/T H21-2011，以下簡稱“評定標(biāo)準(zhǔn)”）提出采用分層綜合評定與單項指標(biāo)控制相結(jié)合的方法對橋梁技術(shù)狀況進(jìn)行評定，適用于各級公路的橋梁技術(shù)狀況評定，但該規(guī)范中所有構(gòu)件的評估指標(biāo)均來源于傳統(tǒng)的人工檢測（常規(guī)的表觀病害檢查、定期檢測和特殊檢測）結(jié)果，而未考慮自動監(jiān)測數(shù)據(jù)作為指標(biāo)輸入的評估。為了有效應(yīng)用監(jiān)測數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估，當(dāng)前已有不少學(xué)者進(jìn)行了各方面的研究和應(yīng)用，如李愛群及其科研團(tuán)隊以潤揚(yáng)長江大橋監(jiān)測海量數(shù)據(jù)為主要研究對象，重點開展橋梁監(jiān)測海量數(shù)據(jù)的分析與評估研究[3]，王瑀等提出橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的在線結(jié)構(gòu)分析及狀態(tài)評估方法[4]。這些方法主要是通過對監(jiān)測的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，將提取的評估指標(biāo)通過模糊推理、專家評估系統(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)行對比，從而確定結(jié)構(gòu)健康狀況或進(jìn)行損傷識別。

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

1 在線評估體系

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

1.1 評估單元劃分

根據(jù)評定標(biāo)準(zhǔn)的評估層次，底層對象評估指標(biāo)的所有信息都是附著在構(gòu)件上的，針對長大橋梁，構(gòu)件數(shù)量眾多，要想達(dá)到準(zhǔn)確評估并給出針對性的合理養(yǎng)護(hù)建議，必須對整體橋梁結(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)獨立及完整受力為原則，將長大橋梁按結(jié)構(gòu)形式劃分為若干評估單元，通常一跨簡支梁、一聯(lián)連續(xù)梁、一聯(lián)剛構(gòu)、一座斜拉橋可作為一個評估單元。

1.2 分層綜合評估方法

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

1.3 在線評估器

根據(jù)評估指標(biāo)數(shù)據(jù)來源，評估指標(biāo)可劃分為外觀檢查病害類評估指標(biāo)、人工檢測數(shù)據(jù)類評估指標(biāo)和自動監(jiān)測數(shù)據(jù)類評估指標(biāo)。對于前兩類評估指標(biāo)，其數(shù)據(jù)來源為傳統(tǒng)人工檢測方法獲取，數(shù)據(jù)時效性較差（視檢測項目的檢測周期定），在進(jìn)行評估單元在線評估時，可讀取各指標(biāo)最近一次檢測結(jié)果，按評定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估，確定指標(biāo)的評估標(biāo)度類別；而對于自動監(jiān)測數(shù)據(jù)類評估指標(biāo)，則需根據(jù)評估時段內(nèi)指標(biāo)相應(yīng)的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，選擇合適的在線評估器（如可靠度評估器、隸屬度評估器）進(jìn)行評分，再根據(jù)評估分值（百分制）按指標(biāo)評估標(biāo)度表確定指標(biāo)的評估標(biāo)度。某混凝土連續(xù)箱梁的評估層次、評估指標(biāo)分類、示例及評估說明見圖1。

圖1 在線評估層次、評估指標(biāo)分類、示例及評估說明

1.3.1 可靠度評估器

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、計算模式不定性及荷載分布的變異性等。在實際結(jié)構(gòu)中，影響構(gòu)件可靠度因素常為多個隨機(jī)變量。在橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)包括應(yīng)變、位移、溫度、風(fēng)速等，統(tǒng)計其分布規(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)測項目視為影響構(gòu)件可靠度的評估指標(biāo)[7]，采用可靠度評估器進(jìn)行評估。在實際工程中，應(yīng)用可靠度評估器時，需首先確定評估指標(biāo)的抗力值（即該類指標(biāo)的評定標(biāo)準(zhǔn)），然后根據(jù)抗力值和通過監(jiān)測數(shù)據(jù)計算得到的指標(biāo)均值計算可靠度指標(biāo)β，并進(jìn)一步計算指標(biāo)評估分?jǐn)?shù)（fβ），從而確定指標(biāo)評估標(biāo)度。

1.3.2 隸屬度評估器

為了解決指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)的不確定性問題，國內(nèi)外許多學(xué)者提出基于模糊推理理論、通過統(tǒng)計分析確定指標(biāo)隸屬度函數(shù)的方法進(jìn)行評估指標(biāo)的評分。這一類指標(biāo)評估器統(tǒng)稱為隸屬度評估器，在實際應(yīng)用時，視指標(biāo)具體情況，通過設(shè)置合理的空間分區(qū)門檻值（即模糊指標(biāo) a，b，c，d）和輸入、輸出隸屬度函數(shù)，對評估指標(biāo)進(jìn)行評分，如淡丹輝[8]在東海大橋監(jiān)測系統(tǒng)中提出的模糊推理系統(tǒng)（the fuzzy inference system）。

2 工程應(yīng)用實例

東海大橋工程是上海國際航運(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)評估單元劃分規(guī)則，橋梁總體劃分為182個評估單元，其中8個評估單元設(shè)置了實時監(jiān)測傳感器。限于篇幅，本文以其中一個設(shè)置了實時監(jiān)測的評估單元——160 m跨副通航孔橋的為例，以其2014年12月的監(jiān)檢測數(shù)據(jù)為評估數(shù)據(jù)來源，通過編制的軟件程序模塊采用基于《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》的長大橋梁在線評估體系進(jìn)行評估。

160m跨副通航孔橋為90m+160m+160m+90m變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，除傳統(tǒng)的人工檢測項目外，東海大橋監(jiān)測系統(tǒng)在該評估單元各墩墩頂及兩個副通航孔跨中位置布設(shè)了靜力水準(zhǔn)儀，并選擇一個墩頂斷面和副通航孔跨中斷面設(shè)置結(jié)構(gòu)溫度計，實時監(jiān)測該結(jié)構(gòu)段的墩臺沉降、跨中撓度和結(jié)構(gòu)溫度，測點布置見圖2。

根據(jù)監(jiān)測情況，該評估單元的在線評估體系設(shè)置中，除了評定標(biāo)準(zhǔn)中的構(gòu)件評估指標(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”評估指標(biāo)，采用可靠度評估器進(jìn)行指標(biāo)評分；而在下部結(jié)構(gòu)的所有橋墩構(gòu)件中，增加“墩臺沉降”指標(biāo)，采用隸屬度評估器進(jìn)行指標(biāo)評分。根據(jù)2014年12月的監(jiān)檢測數(shù)據(jù)，160 m跨副通航孔橋在線評估結(jié)果為上部結(jié)構(gòu)評分88.44，下部結(jié)構(gòu)評分82.54，橋面系評分95.74，評估單元總體評分為87.54，結(jié)構(gòu)狀況為二類，說明有輕微缺損，但對橋梁使用功能無影響。評估過程及上部結(jié)構(gòu)評估情況見圖3（下部結(jié)構(gòu)和橋面系的評估類似，限于篇幅，本文不再一一列出）。

3 結(jié)論

圖2 160 m跨副通航孔實時監(jiān)測布點圖

圖3 160 m跨副通航孔橋在線評估示例

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

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

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

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

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