許玉和，劉曉劍，黃正榮，汪 濤

[1.中國鐵建投資集團有限公司，北京市519015；2.中鐵建蘇州設(shè)計研究院有限公司，江蘇 蘇州215007；3.東南大學(xué)，江蘇 南京211189；4.道路交通工程國家級實驗教學(xué)示范中心（東南大學(xué)），江蘇 南京211189]

0 引 言

隨著城市的發(fā)展和交通量的增加，我國的大跨徑橋梁越來越多。大跨度斜拉橋的服役性能一直是國內(nèi)外研究的重點問題。橋梁在長時間的運營中會不可避免地老化，對于斜拉橋而言，則具體體現(xiàn)在纜索的錨固、松弛、老化、腐蝕等方面的問題上。因此，為了找出并解決這些問題，從經(jīng)濟因素和時間管理上，基于橋梁的長期使用，健康監(jiān)測技術(shù)便是必不可缺的。而長期以來，受技術(shù)及經(jīng)濟等多方面制約，多數(shù)橋梁以人工檢測為主。從長期人工檢測結(jié)果、檢測精度與檢測頻率限制來看，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)監(jiān)測頻率維持在以月、年為單位，數(shù)量不足以支撐健康監(jiān)測系統(tǒng)的評估功能。

隨之而來的則是以大橋與特大橋為對象的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)（Bridge Health Monitoring System），這種由現(xiàn)代傳感器、通訊技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測、信息處理、綜合報警等子功能系統(tǒng)組成的綜合監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對橋梁長期實時的數(shù)據(jù)監(jiān)控，極大彌補了人工監(jiān)測的缺點。在上世紀八十年代，歐美地區(qū)在此方面做出相關(guān)成果，通過在大跨徑橋梁上安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)來進行評估。我國在這方面的研究起步較晚，但是發(fā)展迅速[1，2]。與此同時，長期監(jiān)控帶來了新問題，大量數(shù)據(jù)流引發(fā)的信息爆炸，使得數(shù)學(xué)模型的建立變得困難，為了應(yīng)對這種局面，信息融合技術(shù)便顯得尤為重要，通過對數(shù)據(jù)自身的相互比對、與人工的相互比對、不同時期的數(shù)據(jù)比對、數(shù)學(xué)模型的驗證等手段來提煉大量信息中的有用數(shù)據(jù)。為了得到統(tǒng)一、準確的監(jiān)測結(jié)果，在明確橋梁規(guī)范的前提下，需要借助計算機技術(shù)對數(shù)據(jù)進行分析、綜合、支配，得到一份可靠性較高的評估數(shù)據(jù)，因此在處理的過程中，對數(shù)據(jù)進行處理的算法、比對、評估方案的重要性便尤為突出[3]。

對于斜拉橋而言，拉索為關(guān)鍵構(gòu)件，蘭海等[4]以索力變化達到某一固定百分比的狀態(tài)來評定拉索的性能，并通過適度指標模型曲線插值分析計算。伍華成等[5]根據(jù)變權(quán)綜合原理提出了大跨度斜拉橋安全性評估方法，研究表明常規(guī)狀態(tài)下的常權(quán)綜合模式在影響因素眾多時，即使個別索力出現(xiàn)嚴重問題，最終評價結(jié)果也不會出現(xiàn)太大變化。隨著信息化的發(fā)展，BIM 技術(shù)被越來越多的用到結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工、管養(yǎng)等方面。齊成龍等[6]采用BIM 平臺對鐵路混合梁斜拉橋的設(shè)計方法進行了探究，與傳統(tǒng)的二維設(shè)計方法相比，具有較大的優(yōu)勢。胡娟等[7]通過Bentley 平臺對橋梁的參數(shù)化建模以及箱梁施工的線性控制方法進行了研究，并進行了二次開發(fā)。

本文以王家河多塔斜拉橋為工程背景，基于BIM平臺探討斜拉橋的評估方法和體系，構(gòu)建基于多源數(shù)據(jù)的斜拉橋評估平臺，為橋梁的管理養(yǎng)護提供依據(jù)。

1 工程背景

王家河特大橋為一座特大型橋梁，位于銅川市王益區(qū)王家河鄉(xiāng)王家河新村北。橋位及橋面標高受路線控制，最大橋高165 m 左右，跨徑布置見圖1，全長2 014.829 m，包括王家河特大橋主、引橋。本工程設(shè)計時速100 km/h，雙向4 車道，主橋按整體式斷面設(shè)置，橋面全寬29.5 m。

圖1 多塔斜拉橋立面示意圖（單位：cm）

主塔與主梁為固結(jié)，橋面以上塔高36 m。塔柱采用實體截面，縱橋向塔柱橋面以上12 m 范圍內(nèi)為漸變段，寬度由6 m 直線變化至9 m，斜率為1∶8，上塔柱為等截面，寬度為6 m。橫橋向尺寸為3.5 m。從美觀上考慮，主塔四個角設(shè)置120 cm×40 cm 倒角，橫橋向設(shè)20 cm 深凹槽。

斜拉索性質(zhì)為中央雙索面，雙排布置在主梁的中央分隔帶處。塔根兩側(cè)無索區(qū)長度為90 m，中跨無索區(qū)長度為28 m，邊跨無索區(qū)長23.68 m，梁上索距4.0 m，塔上索距1.2 m。每個索塔設(shè)有2×15 對30 根斜拉索，全橋共150 根斜拉索。斜拉索采用單絲涂覆環(huán)氧涂層預(yù)應(yīng)力鋼絞線，單股鋼絞線直徑15.2 mm，標準強度1 860 MPa，每根斜拉索規(guī)格為43-φs15.2，采用拉索群錨錨固體系。

2 BIM 模型系統(tǒng)平臺

傳統(tǒng)的橋梁管養(yǎng)理念，即利用橋梁自身的健康養(yǎng)護數(shù)據(jù)進行養(yǎng)護需求性分析、橋梁健康狀態(tài)評價和結(jié)構(gòu)性能老化程度的判別，進而有針對性地制定具體的養(yǎng)護計劃。但該方法對于大跨徑的橋梁來說存在較大局限性，特大型多塔斜拉橋需要采用常規(guī)養(yǎng)護措施與健康監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合的方法，及時地對目標橋梁進行監(jiān)測、養(yǎng)護與維修。

因此，以Autodesk Revit 軟件平臺中的三維信息化模型為依托，利用HTML5、CSS3 和JavaScript 技術(shù)搭建網(wǎng)頁框架，開發(fā)實現(xiàn)輕量化BIM 模型的網(wǎng)頁端可視化交互與管理。王家河特大橋管養(yǎng)系統(tǒng)平臺主要分為三大功能模塊：查看輕量化模型、在線管養(yǎng)系統(tǒng)和監(jiān)測評估系統(tǒng)。

其中，查看輕量化模型模塊（見圖2），是指BIM模型在網(wǎng)頁端輕量化后可以實現(xiàn)：動態(tài)觀察、平移、縮放、第一視角、相機交互（布滿視圖與滾動）、截面分析（X、Y、Z 三軸截面與框截面）、特性、設(shè)置和全屏顯示。

圖2 多塔斜拉橋BIM 模型

在線管養(yǎng)系統(tǒng)模塊分為數(shù)據(jù)層、模型層、公功能層三個子模塊，便于管理人員高效地開展日常管養(yǎng)工作，并提供將BIM 模型和管養(yǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入本地數(shù)據(jù)庫的功能。

監(jiān)測評估系統(tǒng)模塊，基于索力的恒載特征值對索力進行評估，根據(jù)SHM 索力時程中每個索力數(shù)據(jù)點索力數(shù)值獲取其對應(yīng)實時評分，用以及時感知多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的突發(fā)情況。

3 斜拉橋評估體系

3.1 評估標準

目前，國內(nèi)對大跨徑斜拉橋橋梁技術(shù)狀態(tài)的評估規(guī)范廣泛應(yīng)用的主要有《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》（JTG

H11—2004）和《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）（下稱“國標”），這兩部規(guī)范涵蓋了所有橋型的狀態(tài)評估。但針對大跨度斜拉橋而言，該規(guī)范指標并不完全適用，且健康監(jiān)測與養(yǎng)護系統(tǒng)間的融合度明顯不足。江蘇省推行了一套地方標準，《大跨徑懸索橋和斜拉橋養(yǎng)護規(guī)范》（DB 32/T 1648—2010）（下稱“地標”），作為該省推薦性的標準輔助評定方法。該地方標準同樣采用層次分析法，其橋梁技術(shù)狀態(tài)分析模型分為三層，即部位層、構(gòu)件層及損傷層，見圖3。部位層和構(gòu)件層的評定結(jié)果用0～100 分表示，損傷層的評定結(jié)果用0～5 分表示

圖3 斜拉橋綜合技術(shù)狀況評定的層次分析模型

綜合技術(shù)狀況評定的計算過程與“國標”相仿，都是自下而上的逐層計算。首先是對于損傷層各元素可根據(jù)“地標”中的病害狀況表直接查詢每一單項的得分，其結(jié)果采用0～5 分制表示。與國標不同的是，除新增部分斜拉橋特有的定性指標外，“地標”中還包括了通過監(jiān)測數(shù)據(jù)得到的定量指標。通過判斷監(jiān)測數(shù)據(jù)所處的范圍區(qū)間來確定監(jiān)測指標得分。

通過對構(gòu)件病害得分后，即可對構(gòu)件層的各構(gòu)件得分進行計算。對于綜合技術(shù)狀況評定，各構(gòu)件的技術(shù)狀況得分Dij的計算公式為：

式中：Rij，k為各病害項的標度（0～5）；Wij，k為構(gòu)件ij的第k 項的損傷項的權(quán)重3.5 μij，k）βij，k；μij，k表示構(gòu)件ij 的第k 項損傷扣分值與比重的積與該構(gòu)件各損傷項扣分值與對應(yīng)比重之積的總和的比值而βij，k為構(gòu)件ij 的第k 項損傷的評定比重。

部位層各項得分與構(gòu)件層得分的計算方法不同，它采用了加權(quán)綜合法，評定結(jié)果根據(jù)下式計算：

當計算完成橋面系，結(jié)構(gòu)部件和管養(yǎng)系統(tǒng)的綜合技術(shù)狀況的分數(shù)后，采用加權(quán)綜合法計算全橋綜合技術(shù)狀況得分D，計算公式為：

3.2 評估平臺開發(fā)

根據(jù)“地標”的評定流程，借助Matlab 程序針對“地標”編制橋梁狀態(tài)分值的自動評估GUI 程序，并進行封裝，通過混合編程實現(xiàn)在BIM 平臺的直接調(diào)用，對橋梁狀態(tài)進行評估，界面見圖4。根據(jù)橋梁養(yǎng)護報告中具體病害情況與界面中的選項一一對應(yīng)，并按照評定流程自動打分。界面布局簡單明了，操作簡便，主要包括以下功能：（1）養(yǎng)護巡檢數(shù)據(jù)的錄入功能；（2）規(guī)范評定方法的打分功能；（3）數(shù)據(jù)的自動報表生成功能。針對“地標”評價標準，直接在輸入構(gòu)件病害狀況時，將根據(jù)不同構(gòu)件病害程度直接對應(yīng)病害的扣分標度，用戶可根據(jù)實際病害情況直接在下拉菜單中進行選擇。這種方式使界面可以包含更多的評定標準信息，更加便利于不熟悉江蘇省地方標準的用戶操作使用，圖5 為橋面鋪裝病害評定的界面。

圖4 評估系統(tǒng)界面

圖5 橋面鋪裝病害評定

3.3 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的狀態(tài)評估

斜拉索是斜拉橋最重要的構(gòu)件之一，而索力是評價斜拉索以及大橋狀態(tài)的重要參數(shù)，是必須監(jiān)測的內(nèi)容，同時斜拉索風致振動監(jiān)測也是非常重要的。系統(tǒng)采用加速度傳感器連續(xù)監(jiān)測部分索的索力。使用振動法將測得的加速度值計算出頻譜能夠較準確地測量出斜拉索索力，從而達到實時掌握斜拉索的拉力情況，為評估各構(gòu)件的工作狀況提供依據(jù)的目的。

為充分利用監(jiān)測數(shù)據(jù)進行狀態(tài)評估，可以通過建立索力預(yù)測模型提取健康監(jiān)測數(shù)據(jù)中的趨勢項，一方面得到結(jié)構(gòu)真實的退化趨勢，可對索力未來發(fā)展情況進行預(yù)測，另一方面可通過序列指標變化閾值得到單個測點的評價值，進而通過變權(quán)分析融合多個測點的評價值得到索力的得分評價值。索力隨時間的變化關(guān)系主要受到以下幾方面因素的影響：（1）季節(jié)性荷載，如溫度荷載、風荷載等，此因素引起的變化年復(fù)一年的重復(fù)同一規(guī)律變化，具有很強的季節(jié)性；（2）車輛荷載，其產(chǎn)生的主要為高頻成分；（3）趨勢變化，結(jié)構(gòu)在長期使用過程中不可避免的發(fā)生的趨勢退化。同時交通量的變化也會給結(jié)構(gòu)趨勢帶來影響。綜合以上幾種因素，可以認為索力是一個有趨勢的季節(jié)性變化時間序列，本文采用Holt-Winters三次指數(shù)平滑法進行預(yù)測，從而對索力狀態(tài)進行合理評估和預(yù)測，見圖6、圖7。

圖6 斜拉索狀態(tài)評估

圖7 索力狀態(tài)預(yù)測

如圖7 所示，本文方法基本可實現(xiàn)對索力變化發(fā)展規(guī)律的預(yù)測，也就能夠較準確的得到索力的變化趨勢，并進一步根據(jù)索力變化趨勢預(yù)測發(fā)展年限對索力狀態(tài)進行打分。本文所采用的時間序列分析方法可根據(jù)序列長度的增加不斷動態(tài)修正計算模型，該索力的發(fā)展變化趨勢可由新的數(shù)據(jù)引入而不斷更新，最終歸納得到完整的變化規(guī)律。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合王家河特大橋工程實例，基于BIM 平臺對多塔斜拉橋的評估系統(tǒng)進行了研究，并研發(fā)了一套評估體系，研究結(jié)論如下：

（1）針對大跨徑斜拉橋的特點，結(jié)合BIM 平臺和地方標準，可以建立在線評估系統(tǒng)，為橋梁長期服役性能評估提供支撐。

（2）針對監(jiān)測數(shù)據(jù)，引入統(tǒng)計學(xué)中指數(shù)平滑、非參數(shù)性檢驗等方法，可以對索力等關(guān)鍵參數(shù)進行數(shù)據(jù)趨勢變化，結(jié)合測點的上下限值結(jié)合趨勢變化進行打分，并利用變權(quán)分析方法得到群測點的整體評估分值。