基于健康监测数据的桥梁状态评估

庄志凯 陈 勇 张 伟 谢 琪

（1 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）

0 引言

结构健康监测是近年来土木行业新起的新型业务领域，其主要技术手段为采用监测设备对结构特定的参数进行不间断监测，并对监测数据进行分析评判，最终达到对结构技术状态评判的目的。桥梁结构作为道路工程中的特殊结构物，相对民用建筑最大的区别是需承担繁重移动荷载，因此，桥梁结构的的安全变显得尤为重要和迫切。

桥梁健康监测系统的建设工作包括前期的系统搭建和后期系统的维护和结构状态的评估，其中，结构状态的评估是系统建设的核心工作，。本文将根据桥梁结构的特点，介绍一种桥梁结构的数据分析及评估的方法。

1 基于健康监测数据桥梁状况评定的流程及方法

1.1 评定功能框架及流程

基于桥梁健康监测数据的结构评估分为在线评估子模块和离线评估子模块。在线评估采用基于层次分析的变权综合法进行桥梁技术状况综合评估，离线评估主要包含承载力评估、疲劳评估和其它专项评估。根据划分的工作内容，整理结构评估工作流程如图2-1所示。

1.2 桥梁技术状况评定的方法——层次评估法

1.2.1 层次评估法基本原理

对于桥梁结构进行状态的评估有多种方法，其理论基础主要有专家系统、可靠度理论、模糊理论、神经网络等。采用结构监测数据对桥梁结构状态进行评估需要采用一种合理、普适的评估方法，层次分析法是结构评估中经常采用的一种方法。其主要的特点是能够降低和验证主观因素对评判的影响，同时对定性因素进行量化。在采用桥梁健康监测数据对桥梁结构进行评估的系统中，层次分析法的应用主要是用来确定各评定指标的基本权重。采用层次分析法的结构状态的评估方法应根据所获取的各类监测数据，此类数据需兼顾结构的整体特征，同时包含局部的参数状况。根据桥梁结构规模的大小及结构的特征，各类桥型均可采用AHP 进行状态评估，该方法也是目前在桥梁检测规范中使用的方法。其基本评估流程见下图所示。涉及到桥梁安全等级的确定、层次的划分、权重的确定、底层指标的无量纲化和振动评估。

图2-2 基于层次分析的桥梁健康状态综合评估流程

1.2.2 安全等级的评定

安全等级的确定按照如下的论域进行评定：

表2-1 桥梁综合评定等级的论域

1.2.3 层次划分

根据桥梁结构的特征，采用层次分析法分析时将分析层次分为：目标层、准则层、大指标层和小指标层。其中，目标层为全桥状态的评估，准则层为各区段状态的评估，大指标层是各区段各类评估指标，小指标层为具体的参数评价。一般，选取主要的受力构件作为准则层；各监测构件的各项指标，如安全性、耐久性、冗余度等，小指标层可划分为两层；①量化的监测数据序列或监测数据；②结构状态描述划分的等级标准，可参考养护规范。

1.2.4 权重系数的确定

采用以上技术路线的关键是确定指标的权重系数以及确定底层指标的评估思路、评估准则等。本系统将采用层次分析法对本桥进行技术状况评定，相关权重系数主要是考虑城市及公路桥梁养护规范中的桥梁部件权重系数和综合评估方法，并在此基础之上，结合该桥梁的检测施工资料，分析该桥的结构特点、实际技术状况和长期监测情况，提出适合于该桥的技术状况评估指标、评估项以及评定计算方法。

历次桥梁定期测评定主要是根据当前桥梁技术状况按照现行规范对桥梁技术状况进行评定分析。因此，本技术评估系统要是在该评分技术标准基础之上进行提升和改造，主要是将重点监测部位评分项的评定值用长期监测的实测值替换，权重系数采用本桥实际情况确定出来的权重系数进行替换，其余部分的技术标准假定不变，则评估系统会随着实测值的变化而给出桥梁技术状况随时间变化情况，这样得到的评估结果比定期检查的评定结果更加理性和可靠，同时还可以得到结构技术状况随时间变化的趋势情况。若对桥梁进行了一次定期检查等之后，系统将会更新相应部分的权重系数，实现评估系统不断自我完善，根据符合桥梁实际情况的评估系统。利用不确定型层次分析法、群判断、集值统计原理等方法建立桥梁指标权重。

2 结构的评估

2.1 在线评估

结构的在线评估主要是结构监测系统根据监测数据自动进行，其主要工作是建立结构评估体系方法，并且获得结构评估结果，最终形成结构评估报告。

在线评估体系：根据结构的自生特点、综合评估模型及专家评判的权重，设置在线评估体系分层结构、构件及相关参数。

在线评估结果：根据评估体系自动算出相应时间段的评估结果、构件评级以及相关养护建议。

在线评估报告：根据系统评估结果，并根据需评估的时间段，生成评估报告。

在线评估报告的主要内容有：①桥梁基本信息、病害及评估记录等；②突发事件描述；③结构状态评估结果；④主要关键结论；⑤结构管养建议。

2.2 离线评估

2.2.1 桥梁承载力的评定

（1）桥梁承载力评定基本方法

评定的方法主要有两种，主要是基于结构检算和荷载试验对结构承载能力的评估。

第一种方法：基于结构检算的承载能力评估。通过对结构材质、外观的检测结果，确定结构承载能力恶化系数、结构截面折减系数，从而对结构承载能力进行相应的折减，对比结构初始承载能力设计值并进行评定。这种方法又称为直接评定法。

第二种方法是采用荷载试验进行评定，通过实际的荷载车辆加载，测定结构的参数相应，通过计算影响线和实测影响线的对比进行综合评定。通过直观地定性判断这两者随荷载位置的变化趋势是否一致以及定量判断主要控制截面的实测响线数值和计算影响线之间数值相对大小，确定出直接评定因子。

式中：λ——直接评定因子；——计算影响线；y(k)——实测影响线；k——表示控制截面编号。

对于任意控制截面k，均有λ(k)＜0.8，则结构的承载力可以适当的提高；若其中某一个或多个控制截面j，有λ(j)＞1.2，则结构的抗力效应不满足承载力要求，某一个或多个控制截面j，有 0.8≤λ(j)≤1.2，直接评定不能做出评定结论，可以进一步采用有限元模型修正评定法等方法进行评定。其中评定值0.8 和1.2 以及安全系数具体取值可根据该桥的实际情况而定。

（2）桥梁承载力评定的准则

结合桥梁现行设计规范和承载力评定标准，如《公路桥梁承载力检测评定规程》（JTG/TJ21-2011）、《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004），并结合上述4 种评估方法对桥梁承载力进行评定。

结构承载能力的评估是通过结构的分析获取结构的内力状态，在获得结构恒载能力状态下，根据荷载组合得到相应的应力状态，从而将恒载与荷载的计算结构与结构的设计抗力对比进行承载能力的评估。结构状态的描述可由下式表示：

式中，RD和RL分别表示恒载和活载效应；Ra表示其他荷载效应。由于RD和RL包含了评估时刻的温度效应，而该温度效应与设计中考虑的温度效应不一定相等，所以这里的中包括的温度效应是设计温度效应与评估时刻温度效应的差值；k表示应力富裕度系数，根据桥梁设计情况、荷载试验结果以及长期监测结果而定；C 表示结构抗力效应。可以根据当前状态下应力富裕度系数K 的大小实现对结构承载能力的评估。结构的承载能力评估结果同样分为四个等级，均直接对应于管养的决策，具体如下表所示。

表3-1 结构的承载能力评估分级

2.2.2 疲劳状态的评估

考虑到桥梁结构的结构特点，桥梁结构监测系统中对各部件耐久性的评估在于结构在所承受的设计活荷载作用下的疲劳状态评估。

基于监测系统的疲劳状态评估的基本方法如下：

车辆荷载数值模拟流程

荷载模拟是通过动态称重系统实测的车辆数据，分析统计规律，结合车辆荷载数值模拟和Monte-carlo 模拟方法，用计算机程序来模拟疲劳荷载谱。

疲劳监测热点区的获取：

1）根据桥型特点和结构分析获取；

2）根据结构的应力时程分析获取。

应力时程的标准样本的获取：

1）根据监测数据获得结构时程数据。

2）根据提取的时程数据，获取结构关键部位的荷载-应力谱，对比结构仿真分析结果进行修正。

3）对时程数据进行样本分析，提取标准样本。

2.2.3 专项评估

桥梁结构专项评估，需要根据结构的具体情况，针对特定专题项目进行结构评估，如大风、地震对桥梁结构的影响评估、风险评估等。专项评估采用人工离线评估，并撰写评估报告上传至评估报告管理系统。

2.2.4 离线评估报告

评估报告分为常规评估报告和专项评估报告，如下图所示。常规评估报告是根据结构管养需求定期进行承载能力评估、疲劳状态评估生成的评估报告；专项评估报告是指系统出现报警和桥梁使用过程中发生特殊事件之后生成特殊事件（如大风、地震）综合评估报告。

3 总结

基于结构的健康监测数据对结构进行准确的技术状况评定是当下结构监测研究的主要课题，也是当下结构监测发展中需不断更新和迭代的主要工作，同时还应推进相关结构试验对健康监测数据的评估结果进行论证，从而进一步佐证结构监测的有效性。