胡健勇，　蘇木標(biāo)

(1.廣州鐵路(集團(tuán))公司 廣深鐵路實(shí)業(yè)發(fā)展總公司，廣東 深圳　518000；2.石家莊鐵道大學(xué) 大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所，河北 石家莊　050043)

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基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的鐵路橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)估

胡健勇1，蘇木標(biāo)2

(1.廣州鐵路(集團(tuán))公司 廣深鐵路實(shí)業(yè)發(fā)展總公司，廣東 深圳518000；2.石家莊鐵道大學(xué) 大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所，河北 石家莊050043)

鐵路橋梁作為鐵路線上的一種大型結(jié)構(gòu)物，如何保證其在運(yùn)營(yíng)期間保持良好的健康狀態(tài)，對(duì)保障鐵路運(yùn)輸安全暢通具有重要的意義。對(duì)于大型鐵路橋梁結(jié)構(gòu)，借助健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，這已成為工程界研究的熱門(mén)課題。以健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集到的原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，引入橋梁健康指數(shù)BHI來(lái)表征鐵路橋梁的健康程度，提出了一種適用于鐵路橋梁健康狀態(tài)評(píng)估的加權(quán)評(píng)分法。根據(jù)武漢長(zhǎng)江大橋的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用該方法對(duì)其進(jìn)行了健康狀態(tài)評(píng)估。結(jié)果表明：該方法簡(jiǎn)單易懂，可操作性強(qiáng)，評(píng)價(jià)結(jié)果合理可信。

鐵路橋梁；健康監(jiān)測(cè)；加權(quán)評(píng)分法；健康狀態(tài)評(píng)估

0　引言

鐵路橋梁作為一種大型結(jié)構(gòu)物，其生命周期與其它結(jié)構(gòu)一樣，遵循著設(shè)計(jì)施工、建成使用、漸趨老化、維修加固、重建或消亡的過(guò)程。隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，鐵路橋梁結(jié)構(gòu)環(huán)境腐蝕作用逐漸加重，材料老化，結(jié)構(gòu)性能退化，再加上列車(chē)提速的影響，由結(jié)構(gòu)損傷引發(fā)的橋梁事故時(shí)有發(fā)生。為了使鐵路橋梁保持良好的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，預(yù)防或減少橋梁事故的發(fā)生，目前，利用健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)鐵路橋梁的健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估，這已經(jīng)成為橋梁領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。但是，對(duì)于安裝有健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的鐵路橋梁而言，由于不同橋梁其結(jié)構(gòu)形式不同，所處的工作環(huán)境不同，使用目的不同，其監(jiān)測(cè)指標(biāo)(監(jiān)測(cè)內(nèi)容)的類(lèi)型差異較大。有關(guān)橋梁結(jié)構(gòu)各監(jiān)測(cè)指標(biāo)的健康等級(jí)評(píng)定，目前國(guó)內(nèi)并沒(méi)有形成一套相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有較為合適的評(píng)估方法，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集到的部分原始數(shù)據(jù)仍存在不同程度的堆積現(xiàn)象[1-2]。從健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各類(lèi)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的相對(duì)變化量出發(fā)，通過(guò)引入橋梁健康指數(shù)(Bridge Health Index，BHI)來(lái)表征鐵路橋梁的健康程度，提出一種適合鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下健康狀態(tài)評(píng)估的加權(quán)評(píng)分法，擬對(duì)基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的鐵路橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)估方法進(jìn)行一些有益的探索。

1　加權(quán)評(píng)分法的評(píng)估流程

根據(jù)所要進(jìn)行評(píng)估的橋梁及其監(jiān)測(cè)的具體內(nèi)容，加權(quán)評(píng)分法的評(píng)估流程如圖1所示。

圖1　加權(quán)評(píng)分法的評(píng)估流程

1.1評(píng)估指標(biāo)體系的確定

健康狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系選擇的正確與否，直接關(guān)系到橋梁健康狀態(tài)的最終評(píng)估結(jié)果。因此，評(píng)估指標(biāo)體系涵蓋的信息量必須盡量全面，并且能夠反映橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。一般而言，評(píng)估指標(biāo)體系建立的基本原則主要包括：完整性原則、簡(jiǎn)潔性原則、相對(duì)獨(dú)立性原則和客觀性原則等[3]。

針對(duì)不同的橋型，結(jié)合上述原則，通常可根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具體的監(jiān)測(cè)指標(biāo)(即監(jiān)測(cè)內(nèi)容)進(jìn)行相應(yīng)的取舍，進(jìn)而建立有針對(duì)性的橋梁健康狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系。

1.2評(píng)估指標(biāo)的健康等級(jí)界限及定義

根據(jù)《鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》(TG/GW103—2010)[4]和《高速鐵路橋隧修理規(guī)則(試行)》(TG/GW114—2011)[5]，將橋梁結(jié)構(gòu)各層評(píng)估指標(biāo)的健康等級(jí)，按其不同的劣化程度劃分為基本完好(D)、輕微(C)、中等(B)、較重(A1)和嚴(yán)重(AA)這5種健康等級(jí)。

根據(jù)以往有關(guān)鐵路橋梁狀態(tài)等級(jí)劃分的經(jīng)驗(yàn)[4-7]，并結(jié)合結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)，以橋梁健康指數(shù)(BHI)來(lái)定量地劃分鐵路橋梁的5種健康等級(jí)(其中各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的健康指數(shù)以BHIi表示)，各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的等級(jí)界限[8]見(jiàn)表1。5種健康等級(jí)定義如下：

基本完好：凡結(jié)構(gòu)物或構(gòu)件劣化，對(duì)其使用功能和行車(chē)安全影響很小，評(píng)定為D級(jí)；輕微：凡結(jié)構(gòu)物或構(gòu)件劣化，對(duì)其使用功能和行車(chē)安全影響較小，評(píng)定為C級(jí)；中等：凡結(jié)構(gòu)物或構(gòu)件劣化，進(jìn)一步發(fā)展將會(huì)升為A級(jí)的，評(píng)定為B級(jí)；較重：凡結(jié)構(gòu)物或主要構(gòu)件功能?chē)?yán)重劣化，進(jìn)一步發(fā)展會(huì)危及行車(chē)安全，評(píng)定為A級(jí)A1；嚴(yán)重：凡結(jié)構(gòu)物或主要構(gòu)件功能?chē)?yán)重劣化，危及行車(chē)安全，評(píng)定為A級(jí)AA。

表1　各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的等級(jí)界限

1.3評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算

各待評(píng)估指標(biāo)間的重要性比較，可以根據(jù)其重要性程度進(jìn)行相應(yīng)的排序，利用二元比較法[9]可得到待評(píng)估指標(biāo)間的重要性模糊標(biāo)度矩陣，即

(1)

式中，γ表示待評(píng)估指標(biāo)間的重要性標(biāo)度矩陣；γij表示重要性標(biāo)度矩陣中第i行第j列(即第i類(lèi)待評(píng)估指標(biāo)相對(duì)于第j類(lèi)待評(píng)估指標(biāo)的)重要性標(biāo)度值；l表示待評(píng)估指標(biāo)種類(lèi)的總數(shù)。標(biāo)度矩陣中各元素(重要性標(biāo)度值)的取值，可根據(jù)“兩兩比較”結(jié)果按表2選取。

根據(jù)式(1)所示的重要性標(biāo)度矩陣，可得到各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算式為

(2)

表2　各重要性標(biāo)度值的選取

注：當(dāng)“兩兩比較”的結(jié)果為“同樣”重要時(shí)，重要性標(biāo)度值取0.500；當(dāng)“兩兩比較”的重要性結(jié)果介于“同樣”和“稍稍”之間時(shí)，重要性標(biāo)度值取0.525；其它類(lèi)推。

1.4橋梁健康指數(shù)計(jì)算

采用橋梁健康指數(shù)(BHI)來(lái)表征鐵路橋梁在運(yùn)營(yíng)期間的健康狀態(tài)，這是結(jié)構(gòu)物狀態(tài)評(píng)估時(shí)常用的方法[10]。橋梁的整體健康指數(shù)為橋梁各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的健康指數(shù)BHIi(i=1,2,…,l) 的加權(quán)求和，即

(3)

式中，ωi表示健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中橋梁的第i類(lèi)評(píng)估指標(biāo)(監(jiān)測(cè)內(nèi)容)的權(quán)重(i=1,2,…,l)；l表示評(píng)估指標(biāo)種類(lèi)的總數(shù)；BIHi表示健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中橋梁的第i類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的健康指數(shù)。

1.5第i類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的確定

由式(3)可知，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路橋梁整體健康狀態(tài)的評(píng)估，首先，必須將橋梁的各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的數(shù)理統(tǒng)計(jì)處理，得到表征各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)健康程度的表征量；其次，通過(guò)各類(lèi)表征量，進(jìn)一步求得各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的健康指數(shù)BHIi；最后，結(jié)合各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重，采用加權(quán)求和的方式進(jìn)行計(jì)算。各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)健康指數(shù)BHIi確定的具體步驟如下。

1.5.1各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)的分析處理

對(duì)于安裝有健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的鐵路橋梁，可以將其收集到的每一類(lèi)評(píng)估指標(biāo)(監(jiān)測(cè)指標(biāo))視為一個(gè)總體，由于總體中各樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，那么在數(shù)理統(tǒng)計(jì)中，一般地可認(rèn)為該總體分布服從正態(tài)分布[11]。

為了便于鐵路橋梁各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)健康等級(jí)的評(píng)定，采用各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)實(shí)測(cè)值的相對(duì)變化量β[12]來(lái)表征該類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的健康程度，即

(4)

式中，Xk(k=1,2…,n)表示某類(lèi)評(píng)估指標(biāo)總體中第k樣本的實(shí)際監(jiān)測(cè)值的最大值；n表示該類(lèi)評(píng)估指標(biāo)所包含的樣本總數(shù)；μ表示該類(lèi)評(píng)估指標(biāo)總體中各樣本的實(shí)際監(jiān)測(cè)最大值的平均值；σ表示該類(lèi)評(píng)估指標(biāo)總體中各樣本的實(shí)際監(jiān)測(cè)最大值的標(biāo)準(zhǔn)差。

對(duì)于公式(4)，當(dāng)總體方差σ2未知，且樣本數(shù)量n足夠大時(shí)，可用樣本方差S2替代σ2，則β服從的分布為

(5)

某類(lèi)評(píng)估指標(biāo)實(shí)測(cè)值的相對(duì)變化量β無(wú)量綱，它的作用在于各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)可通過(guò)其實(shí)際監(jiān)測(cè)值的大小，就能反映自身的健康程度。將β所反映的偏離程度，按照定性描述和定量表示的方式，劃分為基本完好(1級(jí))、輕微(2級(jí))、中等(3級(jí))、較重(4級(jí))和嚴(yán)重(5級(jí))這5種健康等級(jí)。

對(duì)于安裝有健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的鐵路橋梁，由于各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)(監(jiān)測(cè)指標(biāo))的樣本數(shù)量n足夠大，所以β服從式(5)表示的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。

1.5.2各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的5種健康等級(jí)在實(shí)數(shù)軸上取值區(qū)間的劃定

橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)估最終的等級(jí)評(píng)定結(jié)果，是由其中各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的各種健康等級(jí)發(fā)生的概率，通過(guò)線性或非線性的方式累積疊加決定的[8]。根據(jù)交通部科學(xué)研究院利用《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21—2011)對(duì)18 500座公路橋采樣的評(píng)定結(jié)果[13]，可假設(shè)各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)對(duì)應(yīng)的5種健康等級(jí)發(fā)生的概率分別為：基本完好為20%，輕微為60%，中等為15%，較重為4%，嚴(yán)重為1%。

根據(jù)概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)中有關(guān)結(jié)論可知，對(duì)于置信度為100%，在標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布曲線實(shí)數(shù)軸上的取值區(qū)間可近似取為(-3.09,+3.09)[14]。

由概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理可知，對(duì)于任何一個(gè)總體分布Y，其中未知變量Yk(k=1，2，…，n)是來(lái)自總體的一個(gè)隨機(jī)樣本，且滿(mǎn)足各Yk相互獨(dú)立。倘若對(duì)于任意給定的一個(gè)置信度ξ(0≤ξ≤1)，則存在一個(gè)值λ，滿(mǎn)足

(6)

由式(6)，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的取值規(guī)定，查表可得到某類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的β所對(duì)應(yīng)的5種健康等級(jí)發(fā)生的概率之和∑St與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布曲線實(shí)數(shù)軸上對(duì)應(yīng)的分位點(diǎn)ut間的關(guān)系式為

(7)

式中，St表示某種健康等級(jí)發(fā)生的概率，m=5，其中t=1為基本完好，t=2為輕微，t=3為中等，t=4為較重，t=5為嚴(yán)重；ut表示標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布曲線實(shí)數(shù)軸上與5種健康等級(jí)概率之和所對(duì)應(yīng)的分位點(diǎn)。

代入上述5種健康等級(jí)發(fā)生的概率，經(jīng)式(7)計(jì)算后，可得到各分位點(diǎn)ut。取β大于零的分位點(diǎn)。在實(shí)數(shù)軸上，各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的5種健康等級(jí)發(fā)生的概率之和∑St與β值的關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2　各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的5種健康等級(jí)發(fā)生的概率之和∑Si與β值的關(guān)系

1.5.3各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的5種健康等級(jí)及其對(duì)應(yīng)的BHIi取值范圍

根據(jù)表1和圖2，可確定各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的5種健康等級(jí)及其對(duì)應(yīng)的BHIi取值范圍，見(jiàn)表3。

表3　各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的5種健康等級(jí)及其對(duì)應(yīng)的取值范圍

注：具體的BHIi取值可根據(jù)β的平均值大小，按線性插值的方式得到。

2　實(shí)例分析

以武漢長(zhǎng)江大橋長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，說(shuō)明基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行橋梁健康狀態(tài)評(píng)估的具體方法和過(guò)程。

武漢長(zhǎng)江大橋地處京廣線跨越長(zhǎng)江的咽喉要道，為一座三聯(lián)九孔的公鐵兩用連續(xù)鋼桁梁橋，于2009年安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)該橋的具體狀況，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括：①橫向振動(dòng)加速度；②橫向振動(dòng)位移；③梁體跨中撓度；④豎向振動(dòng)加速度；⑤豎向振動(dòng)位移；⑥鐵路縱橫梁應(yīng)變；⑦梁端位移等。基于大橋的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用加權(quán)評(píng)分法對(duì)該橋進(jìn)行健康狀態(tài)評(píng)估，并以上述7類(lèi)主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容作為具體的評(píng)估指標(biāo)。

2.1各類(lèi)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

其它評(píng)估(監(jiān)測(cè))指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程同理(詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[15])，結(jié)果見(jiàn)表5。

2.2各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算

根據(jù)“二元比較法”原理及現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)家意見(jiàn)，針對(duì)武漢長(zhǎng)江大橋各類(lèi)評(píng)估(監(jiān)測(cè))指標(biāo)，經(jīng)過(guò)“兩兩對(duì)比”由式(1)可建立關(guān)于各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的重要性標(biāo)度矩陣，再由式(2)求得各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重，見(jiàn)表5。

表4　2010年7月份橫向振動(dòng)加速度指標(biāo)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

2.3各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的健康指數(shù)BHIi計(jì)算

對(duì)于橫向振動(dòng)加速度指標(biāo)，由表4可知，它的β均值為0.84，則由表3所列的BHIi取值范圍，按照線性插值方法，其相應(yīng)的BHIi=80+15/1.03×0.58=88.45。同理，可求得其它評(píng)估指標(biāo)相應(yīng)的BHIi，見(jiàn)表5。

表5　各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的β取值區(qū)間、均值及相應(yīng)的BHIi和權(quán)重ωi

2.4計(jì)算武漢長(zhǎng)江大橋的整體健康指數(shù)BHI

再由表1可知，該橋的健康等級(jí)為2級(jí)(輕微)，屬于輕微中略微偏向基本完好的健康等級(jí)。

3　結(jié)論

基于橋梁健康監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，采用加權(quán)評(píng)分法對(duì)鐵路橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，首先根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所包含的監(jiān)測(cè)內(nèi)容(監(jiān)測(cè)指標(biāo))建立評(píng)估的指標(biāo)體系，然后根據(jù)各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的重要性建立相應(yīng)的重要性標(biāo)度矩陣，進(jìn)而確定各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重，經(jīng)過(guò)對(duì)各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)中各測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)變化量進(jìn)行必要的概率統(tǒng)計(jì)分析，求得各類(lèi)評(píng)估指標(biāo)的健康指數(shù)，最后求得全橋整體健康等級(jí)。評(píng)估結(jié)果表明：該方法思路清晰，簡(jiǎn)單易行，可操作性強(qiáng)，評(píng)估結(jié)果合理、可信，健康等級(jí)界限分明，對(duì)以后橋梁健康監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究有參考價(jià)值。

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Assessment of the Health Status of Railway Bridge Structure Based on Monitoring Data

Hu Jianyong1，Su Mubiao2

(1.Guangzhou Railway (Group) Company, Guangshen Railway Industrial Development Corporation，Shenzhen 518000，China；2. Structural Health Monitoring and Control Institute，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China)

Railway bridge acts as a kind of large structures on the railway line, ensuring the bridge to remain in a good health status during the operation is of great importance to the safety of railway transportation. For a large structure of railway bridge, it has become a hot topic in the research of engineering to evaluate the health status using the monitoring data with the aid of health monitoring system for real-time monitoring. Based on the original data collected by the health monitoring system, and introducing the bridge health index (BHI) to characterize the health level of railway bridge, a weight grade method suitable for assessment of the health state of railway bridge is put forward in this paper. Based on the actual monitoring data of the Wuhan Yangtze river bridge, assessment of the health status of the bridge is carried out with this method. Results show that the method is simple and convenient, and the evaluation results are reasonable and reliable.

railway bridge;health monitoring;weight grade method;health status assessment

2015-10-12責(zé)任編輯:車(chē)軒玉DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.03.07

國(guó)家自然科學(xué)基金(51278315)

胡健勇(1989-)，男，碩士，助理工程師，主要從事橋梁健康監(jiān)測(cè)與評(píng)估的研究。E-mail:1048812531@qq.com

U441.5

A

2095-0373(2016)03-0039-06

胡健勇，蘇木標(biāo).基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的鐵路橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)估[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,29(3):39-44.