曹明盛 趙義龍

(北京建筑大學土木與交通工程學院，北京 100044)

0 引言

橋梁作為高架線路的主要結構部分，在長時間的環(huán)境侵蝕、列車的反復動力作用下，使結構內力加大引起結構的局域性損傷，考慮到微小范圍內的損傷并不能使結構發(fā)生倒塌破壞，但隨著損傷的累積，結構的抗力和壽命下降，從而給工程結構的安全和穩(wěn)定性留有隱患，因此橋梁健康監(jiān)測與評估已成為國內外橋梁養(yǎng)護管理機構重要關注部分。

國外在20世紀80年代便已開始大型橋梁結構安全監(jiān)測方面的研究，并在某些重要橋梁上安裝監(jiān)測系統(tǒng)，例如英國在Foyle橋上布設傳感器以監(jiān)測大橋運營階段主梁在風載和車輛荷載下的動力響應。此外還有美國的日照航路斜拉橋，日本的明石海峽橋以及韓國的西海斜拉橋等均安裝了較為完備的監(jiān)測系統(tǒng)[1]。我國自20世紀90年代中期開始，在上海徐浦大橋，香港青馬大橋等均安裝了結構監(jiān)測系統(tǒng),根據(jù)各個橋梁的個體特征狀態(tài)，提出了不同的結構健康監(jiān)測與評估系統(tǒng)策略及方案。

胡順仁將數(shù)據(jù)通信領域的差錯控制思想引入橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，從系統(tǒng)高度建立橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的差錯控制理論，較好的解決了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)失真問題，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性[2]。黃方林等[3]對信號分析與處理的傳統(tǒng)譜分析方法與小波變換、希爾波特黃變換進行比較，對動力指紋分析法、模型修正與系統(tǒng)識別法、神經網絡法、遺傳算法5種損傷檢測方法的基本原理、特點及發(fā)展動態(tài)進行概述和總結，指出神經網絡技術結合遺傳算法是結構損傷檢測的發(fā)展方向之一。何旭輝等[4]以南京長江大橋為背景，提出了該橋結構安全監(jiān)測思路和具體實施方案，以對橋梁的結構響應和工作環(huán)境進行實時監(jiān)測，并利用獲取的信息分析結構的工作狀態(tài)，評估結構的可靠性，為大橋的管理和維護提供科學的決策依據(jù)。陳宇哲[5]通過建立適合中小跨徑橋梁的傳感器網絡的健康檢測系統(tǒng)，做到橋梁狀況監(jiān)控、病害預警及狀態(tài)發(fā)展預測。李惠等[6,7]研究濱州黃河公路大橋和哈爾濱松花江大橋兩座大型斜拉橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計方案、子系統(tǒng)的設計方案和硬軟件設備及其實現(xiàn)、系統(tǒng)的集成技術及其實現(xiàn)方法，分析兩套健康監(jiān)測系統(tǒng)在成橋試驗和運營中監(jiān)測的橋梁結構荷載和靜動力反應。

本文基于地鐵五號線已有的監(jiān)測系統(tǒng)，以橋梁技術狀況評定為理論基礎，采用JAVA語言編寫相應語句，實現(xiàn)橋梁系統(tǒng)評定的程序化，以最終分數(shù)及橋梁評定等級的形式評估橋梁健康狀況，便于管理人員對橋梁狀況進行實時了解及及時制定相應的養(yǎng)護維修策略。

1 系統(tǒng)框架

狀態(tài)評估是根據(jù)檢測數(shù)據(jù)對結構進行評估，并根據(jù)評估的結果來決定橋梁的養(yǎng)護、維修、加固改造或替換。其中狀態(tài)評估又分為單項評估和綜合評估，如圖1所示。

1.1 單項評估

單項評估是為了對每個具體的監(jiān)測病害進行實時評價，判斷其是否超過閾值，確保每一項監(jiān)測內容都在合理的安全運營范圍內，并且具有超限報警功能。

從時域的角度探索地鐵橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點和變化規(guī)律，對預處理后的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制時間序列圖，初步分析橋梁結構作用效應和溫度的相關性。結合傅里葉變換和小波變換的方法，從頻域的角度探索地鐵橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點和變化規(guī)律。以北京地鐵5號線上連續(xù)梁橋長期健康監(jiān)測數(shù)據(jù)為樣本數(shù)據(jù)，探索溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)和梁體應力及梁體位移等橋梁結構作用效應監(jiān)測數(shù)據(jù)的頻率組分，根據(jù)橋梁結構作用的多尺度特點，將監(jiān)測信號分解到不同頻帶上，實現(xiàn)了監(jiān)測信號的分層。最終，通過分析得到橋梁結構作用效果與溫度變化的擬合關系，如表1所示，單項評估設計流程圖如圖2所示。

表1 各測項閾值表

1.2 綜合評估

綜合評估借鑒了JTG H11—2004公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范[8]及JTG/T H21—2011公路橋梁技術狀況評定標準[9]對橋梁技術狀況的評定方法。將各項監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預處理后，通過對各基礎項進行加權評價得到二級評估矩陣，再由二級評估矩陣進行加權評價得到三級評估矩陣，進而得到結構最終分值，最后將分值與評估等級分數(shù)對照表比較，得出結構安全等級。綜合評估為對整體橋梁進行實時評價，分析整座橋梁是否處于安全運營狀態(tài)，其設計流程圖如圖3所示。

2 系統(tǒng)展示

根據(jù)上述框架及原理，通過JAVA語言編寫響應程序，以地鐵5號線為試點建設橋梁綜合評價系統(tǒng)，系統(tǒng)部分功能及界面展示如圖4，表2所示。由圖4可以看出，單項評估界面中可以顯示動態(tài)閾值、采集的原始數(shù)據(jù)以及溫度變化情況，在正常狀態(tài)下動態(tài)閾值可以包絡住監(jiān)測數(shù)據(jù)，如果有異常數(shù)據(jù)超過閾值，則會立刻報警；由表2可以直觀的看出綜合評估給出了每座橋梁的上部結構、下部結構以及附屬的評定分數(shù)，并判定了橋梁的最終等級。

表2 橋梁綜合評價結果輸出結果

序號線路橋區(qū)間安全等級上部結構得分上部結構得分上部結構得分評定時間15號線北苑路北—立水橋2類85.4489.8188.512.2425號線立水橋南—立水橋2類84.0089.3085.0012.2435號線天通苑南—天通苑2類88.6990.0090.0012.2445號線立水橋—天通苑南2類85.8090.0090.0012.2455號線天通苑—北苑路北2類87.7590.0085.0012.24

3 結語

通過對大量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析得出各項檢測指標的動態(tài)閾值，參考相關技術標準及國內已有監(jiān)測系統(tǒng)給出各監(jiān)測指標綜合評價權重、打分標準以及安全等級劃分標準。單項評價系統(tǒng)通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與動態(tài)閾值的比較反映橋梁實時安全狀況，一旦出現(xiàn)超限情況及時報警并啟動相應預案來保障橋梁的實時安全。綜合評價系統(tǒng)通過各項監(jiān)測指標得分加權求和來劃分橋梁安全等級，反映橋梁的長期綜合健康狀況。該評價體系通過實時的單項與綜合檢測評價相結合，既能保障橋梁的實時服役安全，也能反映橋梁長期健康狀況。