基于检测大数据的既有桥梁病害关联分析与技术状况预测

曾过生、陈德华

（广东省高速公路有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

鉴于改扩建桥梁新、旧桥可能存在的差异寿命的问题，有必要明确既有桥梁实际结构性能、结构退化差异，并预测桥梁技术状况，便于养护周期及养护策略的制定[1-2]。

众多学者对既有桥梁的病害特征及技术状况预测展开一定的研究。洪卫星等[3]通过对桥梁检测数据的多维度分析，研究了高速公路桥梁关键病害与环境等外因的关系。张阳等[4]基于多阶段的马尔可夫链相关理论，利用空心板桥历年检查评定数据建立了桥梁技术状况退化模型。姚文凡等[5]利用桥梁集群检测数据对322 座桥梁的病害特征进行分析，构建病害评价指标，建立了桥梁病害与巡检行为的关联关系。

依托茂湛高速公路桥梁病害检查数据，采用大数据方法分析线路既有桥梁技术状况、病害等数据；对改扩建桥梁病害关联性分析，获取典型病害间及其与桥梁间的关联性；建立既有桥梁技术状况多阶段退化模型，预测桥梁技术状况。

1 改扩建病害数据分析

对桥梁定期检查报告记录的检测数据进行分析，研究各线路中不同桥型、跨径及桥梁病害的分布规律。

1.1 检测数据基础

依托沈海高速公路茂湛段，对广东省典型高速公路的桥梁定期检查数据进行深层次挖掘应用。其中，桥梁定期检查数据时间包括2010—2020 年，每2 年1次，共6 次。

1.2 桥梁病害数据预处理

1.2.1 数据的选取

数据挖掘选取直接关系到挖掘结果的可靠性，桥梁定期检查报告中包含桥面系、上部结构、下部结构的病害检查结果及分析等。但对于改扩建工程，既有桥梁上的桥面系结构需重新布设，在对既有桥梁数据分析的过程中，仅分析上部结构、下部结构的相关病害情况。

1.2.2 数据的清洗

对桥梁定期检查报告中存在的重复、缺失的检测数据进行剔除，采用以下方法：一是空缺数据的处理，忽略或选择性删掉缺失严重的数据。二是替换对应值。对某一病害常采用定性表述，以数据值“-1”表征此数据项不为缺项。

1.2.3 数据的集成

同一部件可能存在多种病害，导致定期检查中同一座桥梁有多条同类型病害记录，主要采取以下方法处理：一是合并同座桥梁同一部件病害标度较高的记录，忽略其他低标度病害记录。二是简化相似记录，以提高数据分析效率。

1.2.4 数据的转换

采用MATLAB 对广东省典型高速路段的桥梁检查评定大数据进行分析，并转化为计算可识别的数值类型进行统一标准化处理。

1.3 桥梁结构形式与技术状况统计分析

1.3.1 桥涵结构形式统计分析

茂湛高速公路共计313 座桥，不同跨径桥梁的比例见图1，不同结构形式的比例见图2。

图1 茂湛高速公路桥梁最大跨径的比例

图2 茂湛高速公路桥梁结构形式比例

由统计结果可知，茂湛高速公路中以单跨桥梁为主，占比较多的桥梁最多为单跨最大跨径5m、8m 的桥梁，其次为单跨最大跨径16m 的桥梁。茂湛高速公路上部结构以梁式桥梁为主，其中预制空心板梁桥、整体式现浇板梁桥共计占比80.5%，而下部结构中桥台的类型大多为薄壁式桥台、桩柱式桥台。

1.3.2 桥梁技术状况统计分析

茂湛高速公路桥梁历年技术状况等级统计结果，见图3。

图3 茂湛高速桥梁技术状况等级变化情况

可知，各年茂湛高速公路的桥梁大多为一类桥或二类桥，未出现四类或五类等级的桥梁；该高速路段一类桥梁数量逐渐减少，而二类桥梁逐渐增多，可认为该路段桥梁性能总体较好，但呈现一定的退化趋势。

1.4 既有桥梁病害统计分析

1.4.1 不同桥型病害类型统计分析

对茂湛高速内占比较多的261 座中小跨径桥梁进行病害情况统计，以预制空心板梁桥（共139 座）为例（见图4），可知：预制空心板梁桥的结构整体性略次，其裂缝类的病害大多为“裂缝宽度δ＜0.15mm”的病害，但该类病害桥梁数的增加变化规律不明显。混凝土破损类、钢筋锈蚀类病害的桥梁数呈现明显增长的趋势，甚至在2020 年空心板梁桥钢筋锈蚀类病害的桥梁数达到各类桥梁总数的50%，可认为该类桥梁病害呈现明显恶化的趋势。此外，存在环境侵蚀类病害的桥梁数总体偏多，虽呈现总体减少趋势，但仍可能是引起桥梁病害恶化的诱因。

图4 茂湛高速公路预制空心板梁桥主梁结构病害类型分析

1.4.2 不同跨径桥梁病害类型统计分析

根据不同桥梁最大跨径，对茂湛高速中小跨径桥梁病害分类分析。由统计结果分析可知：小跨径桥梁（l＜13m）混凝土开裂现象明显，但多为小于0.15mm的微裂缝，但总体而言裂缝宽度、混凝土破损病害与跨径大小的关系不明显。出现钢筋锈蚀的桥梁多为小跨径桥梁（l＜13m），与其易出现混凝土开裂（δ ＜0.15mm）相对应。其受环境侵蚀的比例也较大，这可能也是引起该类桥梁钢筋锈蚀比例较大的原因。

2 改扩建桥梁病害关联分析

利用关联规则算法，分别对茂湛高速上部承重结构、下部墩台结构进行单因素、多因素病害关联分析，可知：

上部结构中，混凝土裂缝类病害、钢筋锈蚀类病害易引起病害恶化；多类病害均会引起桥梁上部承重构件混凝土较小裂缝（δ ＜0.15mm）；混凝土破损类病害会导致上部承重构件较小裂缝（δ ＜0.15mm）、钢筋锈蚀类病害现象。因此，在茂湛高速公路桥梁上部结构养护管理过程中，应注意混凝土破损病害的修复。

下部结构中，各类混凝土、钢筋病害均会引起桥梁下部墩台结构的性能退化；较大裂缝、混凝土破损类病害、钢筋锈蚀类病害均会引起桥梁下部墩台构件混凝土较小裂缝的出现；较大裂缝、钢筋锈蚀类病害均会引起桥梁下部墩台构件钢筋锈蚀类病害的出现，且在两者耦合作用下极易引起墩台结构的退化。

3 改扩建桥梁技术状况预测

依托茂湛高速公路，基于马尔可夫链对典型桥梁和路段分别进行项目级、线路级改扩建桥梁技术状况预测。

3.1 项目级桥梁技术状况预测

以茂湛高速K3376+016 小桥右幅为例，项目级转化概率矩阵如下所示：

计算验证提出的项目级转化概率矩阵，见图5。计算可知，2022 年桥梁仍为二类桥且退化至三类桥的概率大致为38.01%，与实际检测结果基本吻合。

图5 项目级转化概率矩阵验证结果

3.2 线路级桥梁技术状况预测

将茂湛高速上全部中小跨径桥梁作为新的统计母体，根据最近一次定期检查评定确定初始状态矩阵π(0)={0.0890,0.9110,0,0,0} ；并 基 于2010—2020 年 技术状况确定概率转移矩阵，如下：

可求得茂湛高速公路2022 年线路级桥梁技术状况状态期望值为2.0926，处于良好水平，与线路实际情况接近。预测5 年后线路级桥梁技术状况等级期望值为2.2254，仍处于良好水平，需不断提高养护管养力度，提高整条路线养护水平和通行服务水平。

4 结论

依托茂湛高速既有桥梁历年检测数据，利用MATLAB 对桥梁病害及其关联关系进行深入分析与挖掘，并基于马尔可夫链对改扩建高速既有桥梁技术状况进行多层次预测。主要结论如下：

一是茂湛高速公路以5～8m 板梁桥为主，该路段桥梁性能总体较好，但呈现一定退化趋势；病害主要以裂缝宽度δ＜0.15mm、混凝土破损为主，环境侵蚀可能是桥梁病害恶化诱因。

二是上部结构的养护管理应注意混凝土破损病害的修复，下部结构的养护管理应注意较大裂缝、钢筋锈蚀类病害对墩柱退化的耦合作用。

三是构建的转化概率矩阵可用于茂湛高速桥梁技术状况预测，且与实际检测结果吻合度较高，预测5年后桥梁技术状况处于良好水平，但仍需不断提高养护管养力度。