中小跨径混凝土梁桥管理养护系统研究与开发

杨永清，冯睿为，李晓斌，刘一鸣

(西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)*

0 引言

桥梁作为交通基础设施的咽喉工程，在公路、铁路运输系统中发挥着至关重要的作用.随着交通事业的蓬勃发展，既有的许多中小跨径混凝土梁桥因运营要求提高、环境因素复杂，在抗疲劳、耐久性等方面出现了结构性能缺失，而且目前常用的桥梁管养方法简单粗放，缺乏系统性.这些问题导致桥梁不能得到及时的维护、补强，影响了结构的正常使用，甚至增加了安全风险.鉴于此，本文研究开发了适合中小跨径混凝土梁桥的管理养护系统.该系统准确地把握了桥梁管理养护工作中面临的问题，建立了科学的评价体系和方法，提出了合理、有效的管理养护措施.

1 桥梁管理养护系统发展概况及存在问题

1.1 发展概况

桥梁管理养护系统是指运用现代先进的管理理念、计算科学和统计科学，借助计算机技术，研究和开发一个集桥梁数据储存与查阅、技术状况评价、结构退化预测、养护措施决策及养护资金分配为一体的管理信息系统［1］，对已建的桥梁进行有效的养护管理，使这些桥梁适应不断增长的交通的需要.

自上世纪80年代起，西方国家已经进行了对本国桥梁养护系统的开发.1968年，美国建立了世界上第1个桥梁管理养护系统——国家桥梁总目(NBI).1988年，美国交通部联邦道路厅(FHWA)便开发了具有初步辅助决策功能的桥梁管理系统POINTS桥梁管理系统.在欧洲、亚洲一些国家也开发出了相应的适合本国情况的桥梁管理系统，如丹麦的DAN-BRO、法国的EDOU ARD、英国的NATS、挪威的 BRUTUS、瑞士的 NATS、日本的 JBMS 及韩国的 SHBMS［2］.

我国桥梁管理系统的研究开始于80年代初期，其中较为典型的是交通部的CBMS系统［3］.另外，四川公路研究所、广东公路研究所等单位先后开发出了针对该省桥梁实际情况的管理养护系统.对于大跨度桥梁，我国也自主开发了一些相应的养护管理系统，如海沧大桥养护管理系统、南京二桥综合管理系统、南京三桥养护管理系统等［4］.

1.2 存在的问题

随着桥梁管理养护系统在我国迅速地普及与发展，系统在使用过程中仍存在一些问题:

(1)目前国内很多桥梁管理养护系统虽然涵盖面较广，但对于每一类桥型的管理养护不够深入，并且缺乏针对典型桥型的管理养护系统的开发;

(2)现有系统的桥梁养护数据有很大的潜在价值，比如可以研究一座桥的病害随时间变化情况，从而对该桥做出结构退化趋势预测;比如可以对系统中同类型桥梁的病害特征进行数据的统计分析掌握其科学规律.但是大多数系统将数据束之高阁，造成了巨大的浪费;

(3)对于桥梁病害的分析不够全面，导致绝大部分管养系统养护决策模块不够完善，没有给出具体的养护建议.

基于以上问题，本文以中小跨径混凝土梁桥管理养护系统为例，实现对典型桥型的管理养护及决策.

2 系统设计

中小跨径梁桥管理养护系统由桥梁信息管理子系统、技术状况评定子系统、数据决策分析子系统和系统辅助模块子系统四个模块组成.系统设计结构图如图1所示.

2.1 桥梁信息管理子系统设计

图1 系统设计结构图

桥梁信息管理子系统由桥梁基本资料库、桥梁构件病害库以及工程图纸等附件资料组成，每一个子模块都具有资料的添加、修改、删除、查询等功能，其中桥梁信息及病害库的数据有三大来源:①在线监测数据(包括摄像机、传感器);②格式标准化的桥梁现场检测数据;③经过授权认证的用户手工输入的数据.该子系统用例图如图2所示.

图2 桥梁基本信息用例图

2.2 技术状况评定子系统设计

桥梁技术状况评定的设计目标是依据桥梁存在的缺损状况，对桥梁进行等级评定，研究桥梁退化的原因，确定维护维修方案，将有限的资源作最优的分配，以使结构(或构件)维持在安全的状况.系统依据《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG T H21-2011)［5］中的评定方法对桥梁的技术状况等级进行评定，业务流程如图3所示，评定相关数据库实体-联系图如图4所示.

2.2.1 技术状况评定子系统评分计算方法

全桥的技术状况评分是由上部结构、下部结构、桥面系评价后的评分值加权求和得到的.他们各自又包括多个部件，每个部件又由多个构件组成.因此桥梁的评分是从单个构件的评定开始，依次计算得分，最后逐级进行加权计算，得到最终得分.

(1)桥梁构件的技术状况评分(以上部结构的构件为例)

当x=1时

当x≥2时

图3 评定流程图

式中:PMCIl为上部结构第i类部件l构件的得分，值域为0～100分;k为第i类构件l构件出现扣分的指标的种类数;U、x、y为引入的中间变量;i为部件类别，例如i表示上部承重构件、支座、桥墩等;j为第i类部件l构件的第j类检测指标;DPij为第i类部件l构件的第j类检测指标的扣分值;根据构件各种检测指标扣分值进行计算.

(2)桥梁部件的技术状况评分(以上部结构的部件为例)

(3)桥梁上部结构、下部结构、桥面系的技术状况评分(以上部结构为例)

式中:SPCI为桥梁上部结构技术状况评分，值域为0～100分;PCCIi为上部结构第i类部件的得分;m为上部结构的部件种类数;Wi为第i类部件的权重.

(4)桥梁总体的技术状况评分

式中:Dr为桥梁总体技术状况评分，值域为0～100分;WD为桥面系在全桥中的权重;Wsp为上部结构在全桥中的权重;WSB为下部结构在全桥中的权重;SBCI为桥梁下部结构技术状况评分，值域为0～100分;BDCI为桥面系技术状况评分，值域为0～100分.

图4 技术状况评定数据库实体-关系图

2.2.2 桥梁技术状况评定实例

以绵阳市某桥为例，介绍桥梁技术状况评定程序自动计算过程.该桥上部结构为钢筋混凝土简支板梁，结合现场实际病害情况，使用上述评定方法得出桥梁技术状况评定结果.该桥上部结构仅有一个主梁，其扣分值如表1所示.

表1 主梁扣分情况表

利用式(1)可得该桥上部结构的主梁构件的得分为:

=PMCI-(100-PMCImin)/t=25.28

由于该桥上部结构仅有一个主梁，重新分配权重后，利用式(5)得出该桥上部结构技术状况评分:

利用式(4)可得该桥上部结构部件的得分为:PCCIi

同理可得其下部结构及桥面系的技术状况评分分别为:

最后通过式(6)得出桥梁总体技术状况评分为:

Dr=BDCI×WD+SPCI×WSP+SBCI×WSB

=25.28× 0.40+70.88× 0.40+61.15× 0.20

=50.69

综合判定该桥的技术状况评定等级为4类，表明该桥梁体结构有大的缺损，影响承载能力，不能保证正常使用.

2.3 桥梁决策分析子系统设计

桥梁数据分析子系统主要根据检测数据，对其结构退化趋势进行预测，对桥梁病害特征进行统计分析，提出详细的养护措施以及建议.

(1)桥梁结构退化预测方法

桥梁结构的技术状况在荷载和外界环境等条件变化时也会不断发生相应的变化，我们对其退化的趋势做出预测就称为桥梁结构退化趋势预测.准确的桥梁结构退化趋势预测有助于制定合理的养护规划，提出有效的建议和决策.

本模块中预测方法采用回归分析法.回归预测法就是利用桥梁在t0时刻前各个检测时刻的实际检测结果，通过回归分析，建立桥梁技术状态与使用时间的关系［6］，以此得出桥梁结构的退化趋势.

(2)病害统计分析

在所采集的大量混凝土梁桥检测数据的基础上，该模块按照截面形式将其分为板梁桥、T梁桥、箱梁桥三类，对每一类桥的常见病害及分布进行统计分析，总结常见病害产生规律，通过扇形图、雷达图等图表形式直观地表达出来，并且针对每一种病害分析其产生的原因，使得管理养护工作更具有针对性，大大提高了工作效率.

(3)桥梁养护决策

桥梁养护决策是针对桥梁现有状况，制定合理的养护计划，给出有效的建议.该模块采用决策树法进行分析，其原理是依托桥梁养护工程师长期积累的经验，借助系统化的方法对这些经验进行提炼，提出合理的养护维修对策［7］.该模块中决策树模型考虑了桥梁承载力、缺损状况等影响因素.

(4)系统辅助模块子系统

系统管理子系统主要包括用户及权限管理、数据导入与导出、报表打印、数据字典管理四个模块.该部分主要对系统数据进行管理，保证数据的安全性、可靠性.

3 系统实现

本系统程序设计基于Java编程语言，采用J2EE架构，选用Microsoft SQL Server数据库.Java编程语言是一种非常流行的编程语言，具有运行效率高、跨平台、安全性高等特性，被众多大型企业选用.

按照上述设计思路及计算机技术，本文实现了中小跨径混凝土梁桥管理养护系统的编制目标.该系统已成功应用于实际的桥梁管理养护工作中，其中技术状况评定界面如图5所示.

图5 系统技术状况评定界面

4 结论

本文依据公路桥梁技术状况评定方法，结合中小跨径混凝土梁桥的常见的病害特点，运用Java编程语言、Microsoft SQL Server数据库和数理统计等相关知识研究与开发出了中小跨径混凝土梁桥管理养护系统，主要的研究结论有以下几个方面:

(1)结合不同截面形式混凝土梁桥的常见病害，总结出病害的易发部位，使桥梁养护工作更具有针对性;

(2)研究开发了中小跨径混凝土梁桥管理养护系统，深入挖掘了桥梁养护数据，实现了桥梁的技术状况评定、构件功能退化预测与养护评价决策的程序化，提高了管理养护的工作效率.该系统已经成功应用在绵阳某桥等项目中;

(3)使用Java程序语言进行编程，运行效率高，稳定性好、可以在多种平台上运行，对以后类似工作具有一定的参考价值.

［1］许烈平.桥梁养护管理系统的研究与开发［D］.重庆:重庆交通大学，2008.

［2］THOMPSON P D，SMALL E P，JOHNSON M，et al.The Pontis Bridge Management System［J］.Structural Engineering International.ASCE，2010(6):303-308.

［3］李昌铸.公路桥梁管理系统(CBMS2000)的开发与应用［J］.公路交通科技，2003(3):84-90.

［4］黄侨，任远，刘绍云，等.大跨度桥梁养护管理系统的若干问题研究:第十八届全国桥梁学术会议论文集(下册)［C］.北京:人民交通出版社，2008:1396-1402.

［5］中华人民共和国交通运输部.JTG TH 21-2011公路桥梁技术状况评定标准［S］.北京:人民交通出版社，2011:7-18.

［6］林兵，郑丹，周建庭，等.西南地区桥梁寿命预测分析［J］.重庆交通大学学报(自然科学版)，2008(3):374-378.

［7］董玉欢.桥梁养护管理系统研究［D］.西安:长安大学，2014.

［8］朱绩超，邵旭东.海洋环境下钢筋混凝土桥梁结构的耐久性评估［J］.大连交通大学学报，2010(2):28-33.

［9］马军海，陈艾荣，张文学.公路桥梁技术状况评定体系及其应用［J］.石家庄铁道学院学报，2006(4):77-80.

［10］熊慧中，李中铭，王海涛，等.基于《公路桥梁技术状况评定标准》的桥梁评定管理系统开发［J］.公路工程，2014(3):214-218.

［11］聂功武，孙利民.桥梁养护巡检与健康监测系统信息的融合［J］.上海交通大学学报，2011(S1):104-108.

［12］单德山，张俊英，黄振兴，等.基于 ASP.NET的大跨度斜拉桥管养系统［J］.桥梁建设，2012(3):31-36.