基于监测数据分析的大跨度桥梁健康状态评估方法研究

杜 强，李冬冬*，解 峥

（1.威海市公路事业发展中心，山东 威海；2.哈尔滨工业大学重庆研究院，重庆；3.哈尔滨合正科技有限公司，黑龙江 哈尔滨）

引言

大跨度桥梁是交通基础设施中不可或缺的重要组成部分，在长期使用的过程中，桥梁会受到各种外界因素的影响，逐渐出现各种损伤，影响其健康运营[1]。桥梁健康状态评估的2 个重要指标包括损伤度和可靠度。大跨度桥梁损伤度的预测和可靠度评估对于保障桥梁的安全运行至关重要，不仅可以及时发现和修复潜在的结构问题，还可以合理规划维护和加固措施，延长桥梁的使用寿命[2-3]。传统的桥梁损伤度预测方法往往基于静态结构模型和有限元分析，对桥梁的损伤进行分析和预测[4]。然而，这种方法在预测大跨度桥梁的损伤度时存在精度不高和计算复杂等问题。随着监测技术和数据分析方法的不断进步，利用实际监测数据进行桥梁损伤度预测和可靠度评估成为现实[5]。

基于监测数据分析的大跨度桥梁损伤度预测和可靠度评估方法，通过收集桥梁的实际监测数据，对桥梁的结构特性和使用状况进行全面分析。这种方法综合考虑了桥梁本身的结构特点、外界环境和日常运行等因素，有效地提高了预测结果的准确性和可信度。研究结合长会口特大桥工程，运用现场实测的手段，布置长期监测传感器体系，基于监测数据分析的方法实测桥梁结构加速度时程曲线和位移时程曲线，对桥梁结构的损伤度预测和可靠度评估，研究成果可为大跨度桥梁的维护和管理提供了科学的决策支持，对于城市交通和基础设施的可持续发展具有重要意义。

1 工程概况

长会口特大桥位于靖海湾北部，是连接长会口和冯家村的跨海大桥工程。主桥为跨径117+230+117 m预应力双塔双索面斜拉桥，边中跨比为0.508 7。主梁采用双边主肋形预应力混凝土结构，主梁顶、底面全宽20.1 m，边肋高2.0 m，梁中部全高2.2 m。塔、墩、梁全固结体系，桥塔采用H 形缩塔，主桥各塔均布设13 对竖琴式斜拉索。

2 桥梁健康监测传感器系统

由于大跨度桥梁在运营过程中，受到环境因素、外荷载作用因素的影响，桥梁的服役性能发生连续的变化，因此对传感器的性能具有严格的要求。主要表现在桥梁结构在汽车荷载和风荷载作用下发生低频率的自振运动，这要求传感器的精度、低频特性、灵敏度和分辨率都应满足测试要求[6-9]；桥梁结构健康监测是一项长期的工作，传感器需满足在长期恶劣室外环境中能够正常工作，具备良好的鲁棒性，避免由于传感器的失效导致的测试信号的中端，以输出稳定连续的采集信号；传感器应具有一定的相容性和扩展性，这是采用不同的传感器设备进行数据采集，一般需要经过信号放大器放大后进行显示、处理和存储，为了保证传感器设备采集数据能够输出和后续数据的处理，因此传感器应具有相匹配的调理器，以满足数据的相容性。为此，结合实际工程长期监测要求，对桥梁的环境监测、荷载监测、结构特性和结构响应等相应内容确定相应的传感器类型，如表1 所示。

表1 桥梁监测传感器监测体系及监测参数

3 基于桥梁健康监测数据的损伤分析

基于表1 中的桥梁传感器体系对各种指标参数进行监测，提取监测时间段为2023 年6 月至2023 年8 月的数据进行分析，以桥梁典型加速度时程曲线和典型位移时程曲线为例，其实测结果如图1 和图2 所示。

图1 桥梁典型加速度时程曲线

图2 桥梁典型位移时程曲线

运用线性累计损伤准则和疲劳强度曲线对桥梁结构的损伤状态进行评估，得到桥梁结构的损伤度分布如图3、图4 所示。

图3 基于实测加速度的桥梁结构损伤度预测

从图3 中可以看出，基于实测加速度对桥梁结构损伤度进行预测，得到桥梁拉索的预测损伤度平均值为65.59%，超越阈值的样本点为2 个，超越概率为13%，预测损伤度最大值为108.67%；桥梁主梁的预测损伤度平均值为65.35%，超越阈值的样本点为4 个，超越概率为26%，预测损伤度最大值为118.06%；桥梁主塔的预测损伤度平均值为68.59%，超越阈值的样本点为4 个，超越概率为26%，预测损伤度最大值为119.38%。

从图4 中可以看出，基于实测位移对桥梁结构损伤度进行预测，得到桥梁拉索的预测损伤度平均值为65.26%，超越阈值的样本点为3 个，超越概率为20%，预测损伤度最大值为116.13%；桥梁主梁的预测损伤度平均值为71.02%，超越阈值的样本点为3 个，超越概率为20%，预测损伤度最大值为120.98%；桥梁主塔的预测损伤度平均值为68.47%，超越阈值的样本点为4 个，超越概率为26%，预测损伤度最大值为124.35%。

4 基于桥梁健康监测数据的可靠度评估

桥梁结构在长期的运用中，其结构抗力会受环境、材料、荷载的不确定性呈现经验时变规律，这种变化需采用统计学理论进行分析。研究基于监测数据，运用抽样测量值、历史经验测量值和贝叶斯方法预测值对桥梁结构的抗力平均值、抗力标准差和可靠度进行设计年限内（100 年）预测，得到结果如图5-图7 所示。

图5 基于监测数据的桥梁结构抗力平均值随时间变化预测曲线

图6 基于监测数据的桥梁结构抗力标准差随时间变化预测曲线

图7 基于监测数据的桥梁结构可靠度随时间变化预测曲线

从图5-图7 中可以看出，3 种不同的预测方法得到的桥梁结构抗力平均值、抗力平均值和抗力标准差的变化规律基本一致，均随着时间的增加呈现单调减小的趋势，且运用时间50 年内，各项预测参数下降速度较小，而在50 年后各项预测参数下降速度较大；对比3 种不同的预测方法可知，贝叶斯方法得到的各项参数趋势平滑且变化稳健，因此该方法具有更精确的预测效果；从图7 中可以看出，当桥梁运行时间大于90 年后，其可靠度小于零，因此需要加强运用维护，以延长桥梁结构的运营年限。

5 结论

以长会口特大桥为研究对象，运用现场实测的手段，布置长期监测传感器体系，实测桥梁结构加速度时程曲线和位移时程曲线，对桥梁结构的损伤度预测和可靠度评估，得到以下几个结论：

（1） 基于实测加速度对桥梁结构损伤度进行预测，得到桥梁拉索的预测损伤度平均值为65.59%，主梁的预测损伤度平均值为65.35%，主塔的预测损伤度平均值为68.59%。

（2） 基于实测位移对桥梁结构损伤度进行预测，得到桥梁拉索的预测损伤度平均值为65.26%，主梁的预测损伤度平均值为71.02%，主塔的预测损伤度平均值为68.47%。

（3） 桥梁结构抗力平均值、抗力平均值和抗力标准差的变化规律基本一致，均随着时间的增加呈现单调减小的趋势，且运用时间50 年内，各项预测参数下降速度较小，而在50 年后各项预测参数下降速度较大；当桥梁运行时间大于90 年后，其可靠度小于零，因此需要加强运用维护，以延长桥梁结构的运营年限。