汪操根 周偉衛(wèi) 劉其軍

（廣州瀚陽(yáng)工程咨詢有限公司，廣東 廣州 510220）

自從上個(gè)世紀(jì)五十年代以來，人們開始認(rèn)識(shí)到橋梁安全檢測(cè)的重要性，但是受科技技術(shù)手段的限定，橋梁早期監(jiān)測(cè)手段比較落后，橋梁檢測(cè)應(yīng)用受限較大。但是在近幾年大跨橋梁設(shè)計(jì)形式和功能的日益復(fù)雜化，橋梁檢測(cè)技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界人士關(guān)注的重點(diǎn)。某地區(qū)的市轄區(qū)有大小跨河橋梁10 余座，這些橋梁對(duì)盤錦市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、居民出行起著至關(guān)重要的作用。這些橋梁當(dāng)前已經(jīng)接近使用年限，年老失修現(xiàn)象嚴(yán)重。于貨運(yùn)車輛超載現(xiàn)象比較嚴(yán)重，客觀上也縮短了一些橋梁的使用壽命；由于施工質(zhì)量等人為因素，一些橋梁達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的使用年限；加之橋梁安全監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段落后，轄區(qū)內(nèi)的橋梁安全狀況令人非常擔(dān)憂。為此，文章結(jié)合橋梁健康監(jiān)測(cè)內(nèi)涵和狀態(tài)，結(jié)合分層理論具體分析該橋梁健康狀態(tài)智能評(píng)估方法。

1 橋梁健康監(jiān)測(cè)及安全評(píng)估和損傷診斷

橋梁健康監(jiān)測(cè)主要是指通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體行為，具體包含對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)損失位置和損傷程度的診斷，同時(shí)還包含對(duì)橋梁服役情況、可靠性、耐久性、承載能力的綜合評(píng)估。通過有效的綜合評(píng)估能夠?yàn)榇髽蛟谔厥鈿夂蚝徒煌ㄇ闆r下 的運(yùn)行異常發(fā)出預(yù)警信號(hào)，進(jìn)而為橋梁的維修養(yǎng)護(hù)提供重要科學(xué)指導(dǎo)。

健康診斷是指結(jié)構(gòu)在受到自然的、人為的破壞或者經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)期使用后，通過測(cè)定其關(guān)鍵性能指標(biāo)價(jià)差橋梁的使用本身是否受到損傷，如果確定了出現(xiàn)損傷還要具體確定其損傷的位置、程度，由此判斷橋梁的剩余使用價(jià)值和使用壽命。

橋梁健康安全性評(píng)估是通過應(yīng)用各種可能性的測(cè)試分析手段來對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用狀態(tài)進(jìn)行分析，并將橋梁的應(yīng)用情況和臨界失效狀態(tài)進(jìn)行綜合比對(duì)分析，評(píng)價(jià)系統(tǒng)所屬于的安全等級(jí)。從實(shí)際操作情況來看，對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)，由于其重要程度不同，安全等級(jí)也應(yīng)該有所差別。安全性評(píng)估與可靠性不同，可靠性為一種概率，為一種可能性；而安全性評(píng)估旨在給出確定的安全等級(jí)，

橋梁的損傷診斷目標(biāo)是清晰準(zhǔn)確的確認(rèn)結(jié)構(gòu)是否存在損傷。橋梁的損傷診斷的統(tǒng)計(jì)模式、識(shí)別模型一般是收集損傷前后系統(tǒng)的特征，比較新的模式是否偏離原始模式。

2 橋梁健康狀態(tài)評(píng)估的層次分析法

混凝土橋梁結(jié)合結(jié)構(gòu)不同具體可以被分為連續(xù)梁、簡(jiǎn)支梁，在具體建設(shè)中受結(jié)構(gòu)形式和材料的限制，混凝土橋梁的跨度不大，為此需要在混凝土橋梁上安裝長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.1 混凝土橋梁評(píng)估體系的打造

2.1.1 承載能力評(píng)估

混凝土橋梁的承載能力評(píng)估要比一般橋梁復(fù)雜的多為此，需要通過應(yīng)用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治龇椒ê涂茖W(xué)的數(shù)學(xué)模型來確定橋梁的承載能力。第一，基于規(guī)范的檢算方法。這類檢算方法的評(píng)估過程是建立在設(shè)計(jì)過程結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上的方法，由于設(shè)計(jì)理論對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型簡(jiǎn)化和實(shí)際受力情況存在差別以及計(jì)算采用的簡(jiǎn)化材料本構(gòu)關(guān)系不同在具體操作的時(shí)候無法反映出結(jié)構(gòu)退化后的受力行為。第二，荷載試驗(yàn)。在橋梁檢測(cè)和驗(yàn)算結(jié)果無法確定橋梁承載力的時(shí)候進(jìn)行荷載試驗(yàn)，通過這項(xiàng)操作分析橋梁的實(shí)際工作情況，由此確定橋梁的剛度、強(qiáng)度和抗裂性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁承載能力的準(zhǔn)確評(píng)估。

2.1.2 綜合技術(shù)情況評(píng)估

混凝土橋梁綜合技術(shù)評(píng)估主要是從結(jié)構(gòu)安全角度來對(duì)構(gòu)件缺損情況的分析評(píng)估，具體評(píng)估素質(zhì)在很大程度上受評(píng)估者以往經(jīng)驗(yàn)的影響。綜合技術(shù)評(píng)估需要參考橋梁構(gòu)件五種典型受力構(gòu)件界面的可靠性指標(biāo)，結(jié)合指標(biāo)打造評(píng)估模糊模型。

2.2 健康狀態(tài)評(píng)估體系

承載能力是橋梁承載的極限狀態(tài)評(píng)估，也可以說是橋梁的健康狀態(tài)評(píng)估，具體包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：①?gòu)?qiáng)度和穩(wěn)定性的評(píng)定；②地基和基礎(chǔ)的評(píng)定；③剛度評(píng)定；④開裂情況評(píng)定。從實(shí)際發(fā)展情況來看影響橋梁強(qiáng)度和穩(wěn)定度的因素是橋梁的外觀質(zhì)量、模態(tài)參數(shù)和環(huán)境因素，評(píng)估體系涉及到的指標(biāo)包含自振頻率、模態(tài)振型等?；炷吝B續(xù)梁評(píng)估模型具體如圖一所示。

2.2.1 拉索橋梁評(píng)估體系

拉索橋梁的跨度較大，具備的功能也更多，因?yàn)樵趯?duì)橋梁狀態(tài)檢測(cè)和評(píng)估之外還需要注重對(duì)橋梁的狀態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)期檢測(cè)，即應(yīng)用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息來對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)情況開展健康狀態(tài)評(píng)估。按照橋梁基本構(gòu)件打造的分層次的評(píng)估模型如圖二所示。根據(jù)圖二發(fā)現(xiàn)，模型評(píng)估目標(biāo)分為表觀檢查和結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)兩個(gè)目標(biāo)，具體參數(shù)包含墩臺(tái)基礎(chǔ)、鋼箱梁、主纜、索塔、附屬設(shè)施等。

圖二 按照構(gòu)件層次建立的評(píng)估模型

2.2.2 鋼管拱橋的評(píng)估體系

通過建立鋼管拱橋長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)不僅能夠?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)狀態(tài)情況開展實(shí)時(shí)性的監(jiān)測(cè)和評(píng)估，通過這項(xiàng)評(píng)估來確保橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全，而且還可以通過監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜態(tài)來打造鋼管混凝土拱橋理論模型。鋼管拱橋的評(píng)估體系模型如圖三所示。這類模型的打造都是通過荷載試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)來開展的活動(dòng)，在具體操作中沒有考慮實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境下的影響因素，比如指標(biāo)的可監(jiān)測(cè)性、交通流量情況等。

圖三 鋼管拱橋的評(píng)估體系模型

2.2.3 橋梁健康狀態(tài)評(píng)估層次分析的技術(shù)路線

橋梁健康狀態(tài)評(píng)估層次分析綜合評(píng)估流程如圖四所示。在應(yīng)用傳統(tǒng)AHP 方法對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行底層評(píng)語(yǔ)的時(shí)候一般會(huì)采取百分制的形式進(jìn)行評(píng)估，但是在具體操作中會(huì)出現(xiàn)因?yàn)槟：远鵁o法定量分析的現(xiàn)象，針對(duì)這個(gè)問題需要在橋梁健康狀態(tài)評(píng)估中引入模糊理論，借助模糊理論和層次分析思想打造多元化的智能模糊評(píng)估模型，通過該模型的打造來向人們展示橋梁健康狀態(tài)的評(píng)估結(jié)果。

圖四 橋梁健康狀態(tài)評(píng)估層次分析綜合評(píng)估流程

3 某大橋健康狀態(tài)評(píng)估策略

3.1 大橋基本情況

大橋在武漢長(zhǎng)江大橋下游6.8km 的位置上，全橋總體長(zhǎng)度為5748m，主要橋梁是雙塔雙索面自錨式懸浮連續(xù)體系預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，斜拉橋段橋上的塔高是94m，橋面上六個(gè)車道的寬度是29.5m，橋梁的設(shè)計(jì)荷載是-20 級(jí)，掛-120 級(jí)。大橋在從通車開始承擔(dān)著地區(qū)繁重的交通壓力，每日通車數(shù)量在10 萬(wàn)輛左后，但是大橋?qū)嶋H能夠承擔(dān)的車輛是每天5 萬(wàn)輛。在使用的過程中大橋承擔(dān)高負(fù)荷，橋梁結(jié)構(gòu)安全性受到損害。針對(duì)這個(gè)問題 有關(guān)部門打造了橋梁健康監(jiān)測(cè)和狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)(如圖五所示)，為橋梁管理部門掌握橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)和橋梁科學(xué)管理提供了重要數(shù)據(jù)支持。

圖五 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體示意圖

3.2 橋梁健康狀態(tài)的智能監(jiān)測(cè)評(píng)估

3.2.1 以往橋梁健康狀態(tài)檢測(cè)的缺點(diǎn)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)橋梁健康狀態(tài)的檢測(cè)是在橋梁設(shè)計(jì)、施工完成交付使用前，或者在發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)特殊開裂、變形過大、重載等問題的時(shí)候?qū)蛄嚎傮w情況進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估。對(duì)橋梁的檢測(cè)評(píng)估一般以人工方式為主，即在橋梁受力及變形關(guān)鍵部位上，外貼應(yīng)變片或安裝變形儀。通過實(shí)測(cè)特征值與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比，確定橋梁強(qiáng)度和剛度安全儲(chǔ)備系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁承載能力的評(píng)估。但是從實(shí)際操作情況來看，這類方法的應(yīng)用局限較大，不僅需要具有一定資格能力的工程師，而且最終檢測(cè)結(jié)果還有可能無法滿足橋梁安全需要。

3.2.2 最新橋梁健康狀態(tài)檢測(cè)

橋梁系統(tǒng)的功能特點(diǎn)。橋梁監(jiān)測(cè)技系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜化、綜合化的技術(shù)性系統(tǒng)，在操作的過程中包含橋梁關(guān)鍵部位的參數(shù)測(cè)量、測(cè)量數(shù)據(jù)信息的現(xiàn)場(chǎng)采集、指令和數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸、數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)管理、橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的評(píng)估預(yù)警。橋梁系統(tǒng)的功能特點(diǎn)具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由軟硬件共同組成，其中，硬件系統(tǒng)包含傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)信息傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)主要是指對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)和安全情況的評(píng)估。②通過安排在橋梁上的傳感器來獲取橋梁結(jié)構(gòu)行為信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁建設(shè)周圍溫度、風(fēng)、交通、荷載情況的監(jiān)測(cè)。③在測(cè)試技術(shù)和通訊技術(shù)的支持下實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的網(wǎng)絡(luò)化共享。第二，橋梁健康狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)。①確定橋梁基準(zhǔn)狀態(tài)。橋梁結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)狀態(tài)分為三種模型，分別是設(shè)計(jì)模型基準(zhǔn)狀態(tài)、竣工模型基準(zhǔn)狀態(tài)、營(yíng)運(yùn)基準(zhǔn)狀態(tài)。考慮到大跨度橋梁施工的復(fù)雜，且容易出現(xiàn)實(shí)際狀態(tài)信息和預(yù)定信息不吻合的問題，為此可以應(yīng)用大橋結(jié)構(gòu)竣工試驗(yàn)監(jiān)測(cè)信息修正結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型來獲取能夠反映工程竣工實(shí)際情況的修正模型。橋梁竣工狀態(tài)可以應(yīng)用基于設(shè)計(jì)假定的模型修正方法來獲取，之后根據(jù)橋梁通車荷載試驗(yàn)的動(dòng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、有限元計(jì)算結(jié)果打造有限元模型和竣工實(shí)測(cè)狀態(tài)在主梁豎向剛度和質(zhì)量分布的誤差較小，由此證明應(yīng)用精細(xì)有限元打造的主梁和拉索參數(shù)假定比較準(zhǔn)確。②健康狀態(tài)的綜合評(píng)估。在對(duì)橋梁健康狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估的時(shí)候需要將實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)信息和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)或者沒有損傷的基準(zhǔn)狀態(tài)數(shù)值進(jìn)行比較，在比較之后制定相應(yīng)的評(píng)估準(zhǔn)則，從而幫助人們更加準(zhǔn)確的評(píng)估出橋梁的實(shí)際健康狀態(tài)。考慮到外部多種因素對(duì)橋梁使用的影響，橋梁健康狀態(tài)綜合評(píng)估系統(tǒng)可以根據(jù)監(jiān)測(cè)報(bào)警信息開啟橋梁健康狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)，通過系統(tǒng)的建設(shè)減少數(shù)據(jù)信息的處理時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，文章在闡述橋梁健康監(jiān)測(cè)及安全評(píng)估和損傷診斷內(nèi)容的基礎(chǔ)上，分析了橋梁健康狀態(tài)評(píng)估的層次分析法，并以某大橋運(yùn)行的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)情況確定了基于層次分析法橋梁健康監(jiān)測(cè)功能和基本技術(shù)路線，旨在能夠通過有效評(píng)估和分析更好的促進(jìn)橋梁建設(shè)發(fā)展。