趙義龍，王少欽，曹明盛，李宇杰

（1. 北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 100044，2. 北京建筑大學(xué)理學(xué)院，北京 100044；3. 北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，北京 100044）

1 研究背景

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，我國(guó)橋梁建設(shè)取得了舉世矚目的成就[1]。然而，橋梁在長(zhǎng)時(shí)間的環(huán)境侵蝕、外荷載反復(fù)的動(dòng)力作用下，引起結(jié)構(gòu)的局域性損傷，或產(chǎn)生影響橋上行車舒適性與安全性的振動(dòng)。隨著損傷的累積，結(jié)構(gòu)的抗力和壽命下降，從而給工程結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性帶來(lái)隱患[2]。國(guó)內(nèi)外已發(fā)生多起惡性橋梁事故，給公眾生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)極大的損失。事故分析結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不完善、預(yù)警機(jī)制不健全是導(dǎo)致一部分事故發(fā)生并加重人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失的主要原因。傳統(tǒng)的橋梁養(yǎng)護(hù)管理模式大多屬于在橋梁出現(xiàn)病害后的一種糾正性維護(hù)方式，這種養(yǎng)護(hù)策略是被動(dòng)的，并且采用的檢測(cè)方法主要是通過(guò)人工目測(cè)檢查或借助便攜式儀器對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)，存在實(shí)時(shí)性差、耗費(fèi)大量人力物力、受檢測(cè)人員知識(shí)經(jīng)驗(yàn)技能影響大、影響正常交通等諸多局限性，已經(jīng)不能滿足大規(guī)模結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)評(píng)定的發(fā)展需求。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的理念下，迫切需要建立一個(gè)能夠通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映橋梁健康狀況的橋梁評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

程輝等[3]提出了包括數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)控制及管理子系統(tǒng)、評(píng)估及報(bào)警子系統(tǒng)在內(nèi)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)橋梁綜合信息、智能化養(yǎng)護(hù)、多元化橋梁決策、便捷化辦公4 個(gè)主要功能。Brito 等[4]針對(duì)混凝土橋梁開發(fā)了橋梁管理專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了橋梁檢測(cè)和橋梁管理策略優(yōu)化功能。Melhem 等[5]采用專家系統(tǒng)工具CLIPS(C Language Integrated Production System)，建立了橋梁總體評(píng)價(jià)程序，提出了模糊加權(quán)向量方法來(lái)評(píng)估橋梁健康狀況。Furuta 等[6]采用將遺傳算法(genetic algorithms)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neural networks)相結(jié)合的方法，開發(fā)了橋梁損傷模糊評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)。楊軍[7]認(rèn)為，橋梁健康監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)中心是以橋梁健康、安全預(yù)防評(píng)估與診斷信息為基礎(chǔ)，以現(xiàn)代信息技術(shù)為支撐，能夠及時(shí)為橋梁及其群體的健康評(píng)估、診斷防治等方面提供科學(xué)指導(dǎo)，以提高綜合防治質(zhì)量和效率為目的的聯(lián)合機(jī)構(gòu)。李惠等[8]研究了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)的功能、特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)方法與軟硬件系統(tǒng)，完成了橋梁健康監(jiān)測(cè)任務(wù)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)協(xié)同工作的要求；提出了以LabWindows /LabVIEW 為橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心軟件，用其指揮、調(diào)用和驅(qū)動(dòng)各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行和數(shù)據(jù)的交互與通信。張啟偉[9]提出，橋梁健康監(jiān)測(cè)的基本內(nèi)涵是通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評(píng)估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營(yíng)狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，為橋梁維護(hù)與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。

國(guó)內(nèi)外的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究一般只有理論層面的構(gòu)架和模塊，缺乏具體的數(shù)據(jù)處理方法、數(shù)據(jù)判別標(biāo)準(zhǔn)以及預(yù)警界限等[10-11]。已有橋梁健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)大多建立時(shí)間較早，存在一些問(wèn)題：不能較好適用于現(xiàn)在的大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于數(shù)據(jù)只能進(jìn)行簡(jiǎn)單分類，沒(méi)有統(tǒng)一的橋梁健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，不能充分利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確地反映橋梁健康狀況，緊急狀況預(yù)警不及時(shí)，等等。

下面運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并通過(guò)合理的車-橋相互作用模型，對(duì)車輛及橋梁的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行模擬計(jì)算，通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的合理性，結(jié)合實(shí)際工程及模擬數(shù)據(jù)，制定基于大數(shù)據(jù)的橋梁健康狀況評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和制定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，建立橋梁健康狀況實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反映橋梁的健康狀況，以便于橋梁管理人員做出合理決策。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

北京地鐵5 號(hào)線某高架橋上安裝完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖1 所示，其中包括溫度監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)、位移監(jiān)測(cè)等。

1) 溫度監(jiān)測(cè)：選用環(huán)球之星9980 環(huán)境溫度傳感器，監(jiān)測(cè)精度為0.1℃，量程為-40～120℃。

2) 應(yīng)力監(jiān)測(cè)：低頻選用環(huán)球之星9250 應(yīng)力計(jì)，監(jiān)測(cè)精度為1 με，量程為3 000 με，高頻選用GBY-125型工具式表面應(yīng)變傳感器。

3) 梁體位移及支座位移監(jiān)測(cè)：低頻選用基恩士IL-S100 激光位移傳感器，監(jiān)測(cè)精度為0.1 mm，量程為60 mm，高頻選用TCWY-50 動(dòng)態(tài)數(shù)字位移傳感器。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳到網(wǎng)上數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，以供評(píng)價(jià)系統(tǒng)導(dǎo)出及調(diào)用。

2.2 數(shù)據(jù)分析

在監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)處理方面，李愛(ài)群等[12]采用最大熵法、小波包分析、數(shù)據(jù)融合技術(shù)等信號(hào)分析和數(shù)據(jù)處理方法，研究適用于大型土木工程結(jié)構(gòu)的損傷預(yù)警技術(shù)。

本研究利用快速傅里葉變換及小波分析，探究不同位置應(yīng)力監(jiān)測(cè)信號(hào)的頻率組分，分析其頻譜特征，并結(jié)合溫度監(jiān)測(cè)信號(hào)的頻譜特征，探尋梁體應(yīng)力信號(hào)和環(huán)境溫度信號(hào)之間的關(guān)聯(lián)性。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并剔除異常數(shù)據(jù)，再利用Origin 軟件進(jìn)行擬合分析，得出一年內(nèi)溫度及應(yīng)力隨時(shí)間變化關(guān)系(見(jiàn)圖2)。從全年總體上看，梁體應(yīng)力與溫度變化趨勢(shì)相同，近似為正弦變化。

圖1 部分監(jiān)測(cè)儀器及測(cè)點(diǎn)布置Fig. 1 Some monitoring equipment and measuring point layout

選擇2017 年11 月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做出應(yīng)力及溫度時(shí)間序列圖(見(jiàn)圖3)，從應(yīng)力及溫度月變化的情況來(lái)看，梁體應(yīng)力與溫度隨時(shí)間變化基本同步。

圖2 梁體年應(yīng)力及溫度時(shí)間序列圖Fig. 2 Annual time series of stress and temperature of the beam

圖3 梁體月應(yīng)力及溫度時(shí)間序列圖Fig. 3 Monthly time series of stress and temperature of the beam

影響梁體應(yīng)力變化的主要因素有溫度和車輛荷載，為了研究這兩者對(duì)梁體應(yīng)力變化的影響，需要運(yùn)用控制變量法，即在保證一個(gè)影響因素不變的條件下，研究另一個(gè)因素對(duì)應(yīng)力的影響?？紤]到北京地鐵的發(fā)車時(shí)間間隔為3～5 min，在出行高峰期內(nèi)每半小時(shí)會(huì)有6～10 趟列車通過(guò)橋梁，通常在不出現(xiàn)極端異常天氣的情況下，半小時(shí)內(nèi)的溫度變化可以忽略。數(shù)據(jù)量方面，半小時(shí)內(nèi)每個(gè)指標(biāo)約有18 萬(wàn)條數(shù)據(jù)，足夠保證分析結(jié)果的可靠性。綜上所述，可選擇出行高峰期內(nèi)每半個(gè)小時(shí)采集的數(shù)據(jù)為一組，分析荷載對(duì)梁體應(yīng)力的影響，做出應(yīng)力時(shí)程曲線，如圖4 所示。

可以看出，半小時(shí)內(nèi)梁體應(yīng)力出現(xiàn)了6 次較大幅度波動(dòng)，波峰間隔約5 min，這與北京地鐵列車運(yùn)行時(shí)間間隔較為吻合。因此組數(shù)據(jù)取自中午12:00 出行高峰期，該時(shí)段內(nèi)列車載重相對(duì)較大，車輛荷載引起的應(yīng)力波動(dòng)幅度在0.08 MPa 以內(nèi)，可以表明列車荷載不是影響梁體應(yīng)力變化的主要因素，通過(guò)分析其他時(shí)間段數(shù)據(jù)也得出同樣結(jié)論。分析梁體順橋向位移、橫向位移、支座豎向位移、橫向位移等監(jiān)測(cè)指標(biāo)，也可得出列車荷載均不是其主要影響因素。

圖4 應(yīng)力時(shí)程曲線Fig. 4 Stress time history curve

在分析溫度對(duì)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響時(shí)，需要保證橋梁上荷載條件相同。由于列車過(guò)橋時(shí)間短且隨機(jī)性大，所以無(wú)法考慮橋上有車時(shí)溫度對(duì)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的影響。地鐵在晚上12:00 至次日凌晨6:00 停止運(yùn)行，該時(shí)間段內(nèi)橋梁上沒(méi)有活載，一年內(nèi)溫度變化范圍足夠大，不同年份溫度變化具有周期性，因此可選取一年中每天晚上12:00 至次日凌晨6:00 的數(shù)據(jù)，分析溫度對(duì)各監(jiān)測(cè)指標(biāo)的影響。鑒于數(shù)據(jù)量龐大，幾分鐘內(nèi)的溫度變化可以忽略且不影響評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，因此每2 min 選取一組數(shù)據(jù)，做出應(yīng)力隨溫度變化關(guān)系，如圖5 所示。可以看出，梁體應(yīng)力變化受溫度影響較為顯著，因此可認(rèn)為溫度是影響梁體應(yīng)力變化的主要因素。鋼筋混凝土梁的質(zhì)量遠(yuǎn)大于列車質(zhì)量，因此列車活載不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生顯著影響。由文獻(xiàn)[13]可知，由于混凝土的導(dǎo)熱性能較差，導(dǎo)致梁體截面溫差大，混凝土的不均勻熱脹冷縮受到相鄰部分混凝土的約束，不能自由變形產(chǎn)生次內(nèi)力，因此其應(yīng)力變化受溫度影響更加顯著。

圖5 應(yīng)力-溫度散點(diǎn)圖Fig. 5 Stress-temperature scatter plot

分別選取一年中溫度相差較大的4 天做出應(yīng)力隨時(shí)間變化關(guān)系曲線，如圖6 所示。可以看出，同一條曲線上的應(yīng)力波動(dòng)主要是列車荷載作用及日溫差引起的，不同曲線間幅值差異主要是溫度變化引起的，可見(jiàn)溫度對(duì)應(yīng)力的影響比列車荷載的影響更加顯著。

圖6 不同日期應(yīng)力-溫度曲線Fig. 6 Stress-temperature curves for different dates

由以上分析可知，溫度是影響梁體應(yīng)力變化的主要因素，因此選用4 種不同擬合方案對(duì)梁體應(yīng)力和溫度的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果展示如表1 所示。

方案1：溫度差ΔT和梁體應(yīng)力σ的一元線性擬合；方案2：溫度T、溫度差ΔT和梁體應(yīng)力σ的多元線性擬合；方案3：溫度差ΔT和梁體應(yīng)力差Δσ的一元線性擬合；方案4：溫度T和梁體應(yīng)力σ的一元線性擬合。

表1 擬合結(jié)果Tab. 1 Fitting results

由表中可見(jiàn)方案4 的擬合效果最好，梁體應(yīng)力變化與溫度成正比關(guān)系，且滿足

式中，σ 為應(yīng)力，t 為溫度。

3 橋梁健康狀況綜合評(píng)價(jià)

3.1 仿真計(jì)算

選擇北京地鐵5 號(hào)線大屯路東—北苑路北區(qū)間119#—120#簡(jiǎn)支T 梁橋進(jìn)行測(cè)試及仿真計(jì)算。橋梁全長(zhǎng)25 m，橋?qū)?.6 m，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T 梁，如圖1(g)所示。車輛模型是由機(jī)車和若干輛客、貨車組合而成的列車，每輛車又是由車廂體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)以及彈簧-阻尼器懸掛裝置組成的多自由度振動(dòng)系統(tǒng)。

通過(guò)對(duì)車輛模型、橋梁模型及其相互耦合關(guān)系的研究，得到車橋耦合振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力平衡微分方程為

式中，M、C、K、X 分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣和位移向量，下標(biāo)b、v 分別表示橋梁及車輛，F(xiàn)vb、Fbv分別表示列車-橋梁系統(tǒng)間的相互作用力。

利用Midas 軟件建立的橋梁模型如圖7 所示，通過(guò)提取相關(guān)參數(shù)，根據(jù)Fortran 編寫程序計(jì)算車橋耦合振動(dòng)方程，得出車輛、橋梁的位移、加速度等動(dòng)力響應(yīng)，將計(jì)算所得橋梁豎向位移及實(shí)測(cè)位移繪成時(shí)程曲線，如圖8 所示。

圖7 橋梁模型Fig. 7 Bridge model

圖8 橋梁豎向位移時(shí)程曲線Fig. 8 Time history of vertical displacement of a bridge

由時(shí)程曲線可見(jiàn)，橋梁豎向位移變化范圍在0～5 mm之間，變化幅度為5 mm，相對(duì)于橋梁的跨徑25 m僅為1/5 000，因此車輛活載不是影響橋梁監(jiān)測(cè)指標(biāo)的主要因素，也驗(yàn)證了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)論的可靠性。

通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性及仿真模型的可靠性。由以上時(shí)程曲線可看出，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算數(shù)據(jù)的走勢(shì)基本一致，峰值接近，實(shí)測(cè)跨中位移峰值為5.0 mm，仿真計(jì)算所得跨中位移極值為4.2 mm。分析誤差產(chǎn)生的原因有：結(jié)構(gòu)服役期間內(nèi)，出現(xiàn)疲勞損傷，混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力筋松弛等原因?qū)е聵蛄簞偠缺壤碚撝灯。瑥亩沟脤?shí)測(cè)跨中位移偏大。此外，橋址周圍的公路交通車輛也會(huì)引起地面振動(dòng)，使得實(shí)測(cè)結(jié)果偏大。

以上數(shù)據(jù)基本可以驗(yàn)證實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性，以及仿真模型的可靠性。

3.2 動(dòng)態(tài)閾值

北京地鐵5 號(hào)線于2002 年12 月28 日開工建設(shè)，2007 年10 月7 日正式運(yùn)營(yíng)，目前處于服役初期，各監(jiān)測(cè)指標(biāo)、歷年巡檢結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，表明橋梁健康狀況良好。故2016—2019 年在該線路采集的數(shù)據(jù)均在橋梁健康狀況比較良好的范圍內(nèi)，為期3 年的數(shù)據(jù)量足夠大，且溫度具有年回歸周期性，可以避免偶然誤差。鑒于現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有動(dòng)態(tài)閾值的相關(guān)規(guī)定，故參考均值控制圖法，采用正常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)范圍的置信區(qū)間作為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的動(dòng)態(tài)閾值。

均值控制圖原理是統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)的圖上作業(yè)法，在控制圖上每描一個(gè)點(diǎn)就是做一次統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)，并將假設(shè)檢驗(yàn)以一種可視的形式表示出來(lái)。在圖中，做出中心線(CL)、上控制線(UCL)、下控制線(LCL)和一系列的數(shù)據(jù)點(diǎn)列。中心線表示所有樣本的均值位置，而上下控制線則是按照一定的置信度得到的置信區(qū)間。若監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)落在控制線之間，可認(rèn)為數(shù)據(jù)點(diǎn)正常；相反，若落在控制線之外，則認(rèn)為該數(shù)據(jù)點(diǎn)異常。

均值控制圖法非常適用于地鐵橋梁的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)多次超出置信區(qū)間時(shí)，可以做出橋梁損傷或出現(xiàn)異常的預(yù)警[14]。

根據(jù)以上分析可知，溫度是影響橋梁各評(píng)價(jià)指標(biāo)的主要因素，因此把以溫度為自變量的回歸方程作為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的動(dòng)態(tài)閾值。由統(tǒng)計(jì)理論可知，置信度為100%的置信區(qū)間為(L-δ，L+δ)，即所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均在該區(qū)間內(nèi)，若數(shù)據(jù)超出該區(qū)間，則表明橋梁可能出現(xiàn)不良病害，以此作為一級(jí)預(yù)警閾值；考慮到監(jiān)測(cè)儀器誤差及環(huán)境影響等不確定因素，將該區(qū)間適當(dāng)放大為(L-1.2δ，L+1.2δ)，作為二級(jí)預(yù)警閾值。其中，L為擬合曲線，δ為同一溫度下監(jiān)測(cè)值與擬合值的最大差值的絕對(duì)值。

如圖9 所示，以119#～120#梁(東3 腹板西)的梁體應(yīng)力為例，擬合直線方程為

圖9 應(yīng)力動(dòng)態(tài)閾值Fig. 9 Dynamic Threshold of Stress

一級(jí)預(yù)警上、下限分別為

二級(jí)預(yù)警上、下限分別為

3.3 綜合評(píng)價(jià)

本部分主要依據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11—2004)[15]、《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTGT H21—2011)[16]以及《城市軌道交通運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)方法》，對(duì)橋梁整體健康狀況做出評(píng)價(jià)，其具體評(píng)定方法主要是按照構(gòu)件-部件-全橋的順序，評(píng)分按式(6)～(9)進(jìn)行評(píng)定。

3.3.1 構(gòu)件評(píng)價(jià)

橋梁構(gòu)件的技術(shù)狀況評(píng)分計(jì)算如下：

式中，MCI 為某一構(gòu)件的技術(shù)狀況評(píng)分，DP 為該構(gòu)件監(jiān)測(cè)指標(biāo)所在區(qū)間對(duì)應(yīng)的扣分值，而扣分區(qū)間參照相應(yīng)規(guī)范。

3.3.2 部件評(píng)價(jià)

包含多個(gè)同類構(gòu)件的部件技術(shù)狀況評(píng)分計(jì)算如下：

3.3.3 結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)

結(jié)構(gòu)(上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、附屬結(jié)構(gòu))的技術(shù)狀況評(píng)分計(jì)算如下：

式中，CI 為結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評(píng)分，n為結(jié)構(gòu)包含的構(gòu)件種類數(shù)，Wi為第i類部件的權(quán)重(按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)取值)。

3.3.4 總體評(píng)價(jià)

橋梁總體技術(shù)狀況評(píng)分計(jì)算如下：

式中，Dr為橋梁總技術(shù)狀況評(píng)分，φi為結(jié)構(gòu)所占權(quán)重，按表2 取值。

3.3.5 安全等級(jí)

借鑒文獻(xiàn)[17]給出的橋梁評(píng)估指標(biāo)分?jǐn)?shù)值，將橋梁整體安全狀況劃分為5 類，如表3 所示。其中，1 類橋梁功能完好；2 類橋梁有輕微缺損，不影響橋梁使用；3 類橋梁有中等缺損，尚能維持正常使用；4 類橋梁主要構(gòu)件有較大的缺損，嚴(yán)重影響橋梁使用；5 類橋梁主要構(gòu)件嚴(yán)重缺損，不能正常使用，危及橋梁安全，橋梁處于危險(xiǎn)狀態(tài)。將上面得到的橋梁總體技術(shù)狀況評(píng)分與表3 對(duì)照，即可評(píng)定橋梁健康狀況等級(jí)。

表2 各結(jié)構(gòu)權(quán)重分配Tab. 2 Re-allocation for each structure

表3 安全等級(jí)劃分Tab. 3 Classification of security levels

以119#～120#簡(jiǎn)支T 梁橋?yàn)槔瑢? 月26 日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，按上述流程處理，可得上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、附屬結(jié)構(gòu)的評(píng)分，分別為87.3、90、90，將其代入式(9)，可得

對(duì)照表3，可知橋梁總技術(shù)狀況評(píng)分Dr在80～95之間，故該橋梁健康狀況屬于2 類，如圖10 所示。

圖10 橋梁綜合評(píng)價(jià)Fig. 10 Comprehensive evaluation of bridges

4 橋梁健康狀況評(píng)價(jià)系統(tǒng)

目前，基于云計(jì)算的橋梁健康監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)分析均存在一定的局限性：只針對(duì)一個(gè)或幾個(gè)工程，通用性較差，不利于推廣普及；對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)利用不充分，不能發(fā)揮大數(shù)據(jù)價(jià)值；偏重于監(jiān)測(cè)內(nèi)容和技術(shù)，缺乏數(shù)據(jù)處理方法的研究及創(chuàng)新[18]。

本研究建立的橋梁狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)主要包括單項(xiàng)評(píng)估和綜合評(píng)估兩部分。

1) 單項(xiàng)評(píng)估是對(duì)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)處理后與閾值比較：當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)系統(tǒng)會(huì)及時(shí)報(bào)警，并根據(jù)超限程度調(diào)用專家?guī)煜到y(tǒng)，生成維修方案，以Word 形式輸出；若未超閾值系統(tǒng)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，并根據(jù)存儲(chǔ)的信息分析今后某一段時(shí)間的數(shù)據(jù)趨勢(shì)，以圖線的形式輸出，設(shè)計(jì)流程如圖11 所示。

2) 綜合評(píng)估是對(duì)橋梁整體進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)：將各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除異常數(shù)據(jù)，通過(guò)與規(guī)范中的標(biāo)度比較，將所得分?jǐn)?shù)進(jìn)行加權(quán)得出各部件分?jǐn)?shù)，再加權(quán)得到最終分?jǐn)?shù)及最終橋梁等級(jí)，從而分析整座橋梁是否處于安全運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，其設(shè)計(jì)流程如圖12所示。

圖11 單項(xiàng)評(píng)估流程Fig. 11 Single item evaluation

圖12 綜合評(píng)估流程Fig. 12 Comprehensive assessment

目前，該系統(tǒng)已基本完成開發(fā)并實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，其優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)時(shí)性強(qiáng)，單項(xiàng)評(píng)估體系隨時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁的關(guān)鍵性控制指標(biāo)，動(dòng)態(tài)閾值及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以不同顏色的動(dòng)態(tài)曲線予以展示，生動(dòng)直觀，一旦出現(xiàn)超限情況會(huì)隨時(shí)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，便于管理方快速做出決策。綜合評(píng)價(jià)體系從總體上評(píng)估橋梁的整體健康狀況，評(píng)價(jià)結(jié)果以表格形式展示，表格中包含上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、附屬結(jié)構(gòu)的各自得分以及橋梁綜合評(píng)定等級(jí)；當(dāng)橋梁出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)查看各部分得分來(lái)快速定位到病變部位，采取針對(duì)性措施，以保證投入的維修加固費(fèi)用在合適的地方，發(fā)揮最大的效益。

通過(guò)實(shí)時(shí)與長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、局部與整體評(píng)價(jià)相結(jié)合，既能保障橋梁的實(shí)時(shí)服役安全，又能反映橋梁的長(zhǎng)期健康狀況。部分?jǐn)?shù)據(jù)不準(zhǔn)確及其他問(wèn)題需根據(jù)后期運(yùn)營(yíng)調(diào)試情況進(jìn)一步完善調(diào)整，系統(tǒng)部分功能以119#～120#簡(jiǎn)支T 梁橋?yàn)槔M(jìn)行展示，如圖13 所示。

圖13 梁體應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)Fig. 13 Real-time monitoring of stress of the beam

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)橋梁實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出結(jié)論：溫度是影響各監(jiān)測(cè)指標(biāo)的主要因素，車輛荷載對(duì)其影響較??；利用仿真計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性及仿真模型的可靠性。利用仿真模型結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，給出了各評(píng)價(jià)指標(biāo)隨溫度動(dòng)態(tài)變化的閾值及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；在此基礎(chǔ)上，提出了橋梁健康狀況評(píng)價(jià)系統(tǒng)構(gòu)架及實(shí)現(xiàn)流程，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試。