杜 強，李冬冬*，解 崢

（1.威海市公路事業(yè)發(fā)展中心，山東 威海；2.哈爾濱工業(yè)大學重慶研究院，重慶；3.哈爾濱合正科技有限公司，黑龍江 哈爾濱）

引言

大跨度橋梁是交通基礎設施中不可或缺的重要組成部分，在長期使用的過程中，橋梁會受到各種外界因素的影響，逐漸出現(xiàn)各種損傷，影響其健康運營[1]。橋梁健康狀態(tài)評估的2 個重要指標包括損傷度和可靠度。大跨度橋梁損傷度的預測和可靠度評估對于保障橋梁的安全運行至關重要，不僅可以及時發(fā)現(xiàn)和修復潛在的結構問題，還可以合理規(guī)劃維護和加固措施，延長橋梁的使用壽命[2-3]。傳統(tǒng)的橋梁損傷度預測方法往往基于靜態(tài)結構模型和有限元分析，對橋梁的損傷進行分析和預測[4]。然而，這種方法在預測大跨度橋梁的損傷度時存在精度不高和計算復雜等問題。隨著監(jiān)測技術和數(shù)據(jù)分析方法的不斷進步，利用實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行橋梁損傷度預測和可靠度評估成為現(xiàn)實[5]。

基于監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的大跨度橋梁損傷度預測和可靠度評估方法，通過收集橋梁的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，對橋梁的結構特性和使用狀況進行全面分析。這種方法綜合考慮了橋梁本身的結構特點、外界環(huán)境和日常運行等因素，有效地提高了預測結果的準確性和可信度。研究結合長會口特大橋工程，運用現(xiàn)場實測的手段，布置長期監(jiān)測傳感器體系，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的方法實測橋梁結構加速度時程曲線和位移時程曲線，對橋梁結構的損傷度預測和可靠度評估，研究成果可為大跨度橋梁的維護和管理提供了科學的決策支持，對于城市交通和基礎設施的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 工程概況

長會口特大橋位于靖海灣北部，是連接長會口和馮家村的跨海大橋工程。主橋為跨徑117+230+117 m預應力雙塔雙索面斜拉橋，邊中跨比為0.508 7。主梁采用雙邊主肋形預應力混凝土結構，主梁頂、底面全寬20.1 m，邊肋高2.0 m，梁中部全高2.2 m。塔、墩、梁全固結體系，橋塔采用H 形縮塔，主橋各塔均布設13 對豎琴式斜拉索。

2 橋梁健康監(jiān)測傳感器系統(tǒng)

由于大跨度橋梁在運營過程中，受到環(huán)境因素、外荷載作用因素的影響，橋梁的服役性能發(fā)生連續(xù)的變化，因此對傳感器的性能具有嚴格的要求。主要表現(xiàn)在橋梁結構在汽車荷載和風荷載作用下發(fā)生低頻率的自振運動，這要求傳感器的精度、低頻特性、靈敏度和分辨率都應滿足測試要求[6-9]；橋梁結構健康監(jiān)測是一項長期的工作，傳感器需滿足在長期惡劣室外環(huán)境中能夠正常工作，具備良好的魯棒性，避免由于傳感器的失效導致的測試信號的中端，以輸出穩(wěn)定連續(xù)的采集信號；傳感器應具有一定的相容性和擴展性，這是采用不同的傳感器設備進行數(shù)據(jù)采集，一般需要經(jīng)過信號放大器放大后進行顯示、處理和存儲，為了保證傳感器設備采集數(shù)據(jù)能夠輸出和后續(xù)數(shù)據(jù)的處理，因此傳感器應具有相匹配的調理器，以滿足數(shù)據(jù)的相容性。為此，結合實際工程長期監(jiān)測要求，對橋梁的環(huán)境監(jiān)測、荷載監(jiān)測、結構特性和結構響應等相應內容確定相應的傳感器類型，如表1 所示。

表1 橋梁監(jiān)測傳感器監(jiān)測體系及監(jiān)測參數(shù)

3 基于橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的損傷分析

基于表1 中的橋梁傳感器體系對各種指標參數(shù)進行監(jiān)測，提取監(jiān)測時間段為2023 年6 月至2023 年8 月的數(shù)據(jù)進行分析，以橋梁典型加速度時程曲線和典型位移時程曲線為例，其實測結果如圖1 和圖2 所示。

圖1 橋梁典型加速度時程曲線

圖2 橋梁典型位移時程曲線

運用線性累計損傷準則和疲勞強度曲線對橋梁結構的損傷狀態(tài)進行評估，得到橋梁結構的損傷度分布如圖3、圖4 所示。

圖3 基于實測加速度的橋梁結構損傷度預測

從圖3 中可以看出，基于實測加速度對橋梁結構損傷度進行預測，得到橋梁拉索的預測損傷度平均值為65.59%，超越閾值的樣本點為2 個，超越概率為13%，預測損傷度最大值為108.67%；橋梁主梁的預測損傷度平均值為65.35%，超越閾值的樣本點為4 個，超越概率為26%，預測損傷度最大值為118.06%；橋梁主塔的預測損傷度平均值為68.59%，超越閾值的樣本點為4 個，超越概率為26%，預測損傷度最大值為119.38%。

從圖4 中可以看出，基于實測位移對橋梁結構損傷度進行預測，得到橋梁拉索的預測損傷度平均值為65.26%，超越閾值的樣本點為3 個，超越概率為20%，預測損傷度最大值為116.13%；橋梁主梁的預測損傷度平均值為71.02%，超越閾值的樣本點為3 個，超越概率為20%，預測損傷度最大值為120.98%；橋梁主塔的預測損傷度平均值為68.47%，超越閾值的樣本點為4 個，超越概率為26%，預測損傷度最大值為124.35%。

4 基于橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠度評估

橋梁結構在長期的運用中，其結構抗力會受環(huán)境、材料、荷載的不確定性呈現(xiàn)經(jīng)驗時變規(guī)律，這種變化需采用統(tǒng)計學理論進行分析。研究基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，運用抽樣測量值、歷史經(jīng)驗測量值和貝葉斯方法預測值對橋梁結構的抗力平均值、抗力標準差和可靠度進行設計年限內（100 年）預測，得到結果如圖5-圖7 所示。

圖5 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁結構抗力平均值隨時間變化預測曲線

圖6 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁結構抗力標準差隨時間變化預測曲線

圖7 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁結構可靠度隨時間變化預測曲線

從圖5-圖7 中可以看出，3 種不同的預測方法得到的橋梁結構抗力平均值、抗力平均值和抗力標準差的變化規(guī)律基本一致，均隨著時間的增加呈現(xiàn)單調減小的趨勢，且運用時間50 年內，各項預測參數(shù)下降速度較小，而在50 年后各項預測參數(shù)下降速度較大；對比3 種不同的預測方法可知，貝葉斯方法得到的各項參數(shù)趨勢平滑且變化穩(wěn)健，因此該方法具有更精確的預測效果；從圖7 中可以看出，當橋梁運行時間大于90 年后，其可靠度小于零，因此需要加強運用維護，以延長橋梁結構的運營年限。

5 結論

以長會口特大橋為研究對象，運用現(xiàn)場實測的手段，布置長期監(jiān)測傳感器體系，實測橋梁結構加速度時程曲線和位移時程曲線，對橋梁結構的損傷度預測和可靠度評估，得到以下幾個結論：

（1） 基于實測加速度對橋梁結構損傷度進行預測，得到橋梁拉索的預測損傷度平均值為65.59%，主梁的預測損傷度平均值為65.35%，主塔的預測損傷度平均值為68.59%。

（2） 基于實測位移對橋梁結構損傷度進行預測，得到橋梁拉索的預測損傷度平均值為65.26%，主梁的預測損傷度平均值為71.02%，主塔的預測損傷度平均值為68.47%。

（3） 橋梁結構抗力平均值、抗力平均值和抗力標準差的變化規(guī)律基本一致，均隨著時間的增加呈現(xiàn)單調減小的趨勢，且運用時間50 年內，各項預測參數(shù)下降速度較小，而在50 年后各項預測參數(shù)下降速度較大；當橋梁運行時間大于90 年后，其可靠度小于零，因此需要加強運用維護，以延長橋梁結構的運營年限。