基于《公路桥梁技术状况评定标准》的长大桥梁在线评估体系

罗艳利

（上海巨一科技发展有限公司,上海市 200031）

0 引言

随着桥梁结构自动化监测技术的不断发展，在传统的以人工为主的日常检测养护工作基础上，我国重要的长大桥梁基本都建立了结构监测系统，据不完全统计，目前已有超过200座大跨度桥梁安装了结构监测系统[1]。运营期产生的海量监测数据，具有可追溯性、客观性、数据量大，准确性和正确性好等特点，应该是长大桥梁安全及技术状况评估的优质数据来源。结构监测评估的最终目的是为结构安全定调，为养护管理决策服务。当前问题在于如何应用监测数据进行准确、有效评估。规范《公路桥梁技术状况评定标准》[2]（JTG/T H21-2011，以下简称“评定标准”）提出采用分层综合评定与单项指标控制相结合的方法对桥梁技术状况进行评定，适用于各级公路的桥梁技术状况评定，但该规范中所有构件的评估指标均来源于传统的人工检测（常规的表观病害检查、定期检测和特殊检测）结果，而未考虑自动监测数据作为指标输入的评估。为了有效应用监测数据对结构进行评估，当前已有不少学者进行了各方面的研究和应用，如李爱群及其科研团队以润扬长江大桥监测海量数据为主要研究对象，重点开展桥梁监测海量数据的分析与评估研究[3]，王瑀等提出桥梁监测系统的在线结构分析及状态评估方法[4]。这些方法主要是通过对监测的海量数据进行分析和处理，将提取的评估指标通过模糊推理、专家评估系统、神经网络、可靠度理论等方法与结构有限元模型分析结果或结构初始状态进行对比，从而确定结构健康状况或进行损伤识别。

本文提出的基于《公路桥梁技术状况评定标准》的长大桥梁在线评估体系，遵照评定标准所制定的原则，首先将长大桥梁按结构独立受力原则划分为若干评估单元，再对各评估单元采用分层综合评估与单项指标控制相结合的方法进行评估，重点是在构件评估指标中，扩充了以监测数据为输入的评估指标，使构件评估指标涵盖监测数据和传统的人工检测数据，并对监测数据类指标设定了合适的在线评估器和评估标准，最终在监测系统中通过增加在线评估功能模块，由软件编程实现长大桥梁自动在线评估。

1 在线评估体系

本文所提出的在线评估体系遵照评定标准制定的原则，对于长大桥梁，首先根据桥梁中的结构形式，按独立受力原则，将长大桥梁划分为若干评估单元；然后根据评定标准的规定，按评估单元结构形式确定构件分类、评估权重等信息；再是根据监测系统测点布置情况，结合评定标准确定构件评估指标和评估标准（包括监测数据类评估指标，该类指标需确定合适的在线评估器和针对性的评估标准，见下述）；最后按分层综合评估与单项指标控制相结合的方法逐一对各评估单元进行评估。该评估体系借鉴评定标准的层次划分原则，评估框架和层次间的递推规则均按评定标准的要求，但对构件评估指标进行了拓展，使构件评估指标涵盖自动监测数据和传统的人工检测数据，为已建立监测系统的长大桥梁技术状况评估提供参考。该评估体系已通过编制相应的软件模块在监测系统中实现在线自动评估，并且在软件模块中，授权用户可根据监测数据特点选择合适的在线评估器，并可对底层评估指标和顶层评估单元的评估结果进行修正，从而更全面、准确的对长大桥梁进行在线评估，实现监测系统为桥梁养护管理决策服务的目的。

1.1 评估单元划分

根据评定标准的评估层次，底层对象评估指标的所有信息都是附着在构件上的，针对长大桥梁，构件数量众多，要想达到准确评估并给出针对性的合理养护建议，必须对整体桥梁结构进行合理划分。源于电子化、网格化、高效化养护管理的理念，以一联独立及完整受力为原则，将长大桥梁按结构形式划分为若干评估单元，通常一跨简支梁、一联连续梁、一联刚构、一座斜拉桥可作为一个评估单元。

1.2 分层综合评估方法

本文提出的在线评估体系沿用评定标准的分层综合评估方法，评估层次分为评估单元层-部位层（上部结构、下部结构和桥面系）-部件层（根据具体的结构型式确定）-构件层-评估指标层，共五层。评估时，首先根据监检测数据通过评定标准或在线评估器对构件评估指标进行评分，然后根据各评估指标的评估标度对各构件进行评估，再对各部件进行评估，再对桥面系、上部结构和下部结构分别进行评估，最后进行评估单元总体状况的评估。各层次间评分递推规则按评定标准中的规定执行，所有评估层次的评分均通过编制的软件模块由监测系统在线自动完成，且其中顶层（评估单元）和底层（评估指标）的评分可由桥梁结构工程师根据需要进行人工修正。

1.3 在线评估器

根据评估指标数据来源，评估指标可划分为外观检查病害类评估指标、人工检测数据类评估指标和自动监测数据类评估指标。对于前两类评估指标，其数据来源为传统人工检测方法获取，数据时效性较差（视检测项目的检测周期定），在进行评估单元在线评估时，可读取各指标最近一次检测结果，按评定标准进行评估，确定指标的评估标度类别；而对于自动监测数据类评估指标，则需根据评估时段内指标相应的所有监测数据进行分析处理后，选择合适的在线评估器（如可靠度评估器、隶属度评估器）进行评分，再根据评估分值（百分制）按指标评估标度表确定指标的评估标度。某混凝土连续箱梁的评估层次、评估指标分类、示例及评估说明见图1。

图1 在线评估层次、评估指标分类、示例及评估说明

1.3.1 可靠度评估器

可靠性[5-6]的数量描述一般用可靠度，可靠度是结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。可靠度的决定因素是构件综合抗力和荷载效应，这些因素又进一步分为材料性能不定性、构件几何尺寸不定性、计算模式不定性及荷载分布的变异性等。在实际结构中，影响构件可靠度因素常为多个随机变量。在桥梁监测系统中，传感器监测数据包括应变、位移、温度、风速等，统计其分布规律大多为正态分布或对数正态分布，因此可将这些监测项目视为影响构件可靠度的评估指标[7]，采用可靠度评估器进行评估。在实际工程中，应用可靠度评估器时，需首先确定评估指标的抗力值（即该类指标的评定标准），然后根据抗力值和通过监测数据计算得到的指标均值计算可靠度指标β，并进一步计算指标评估分数（fβ），从而确定指标评估标度。

1.3.2 隶属度评估器

为了解决指标评分标准的不确定性问题，国内外许多学者提出基于模糊推理理论、通过统计分析确定指标隶属度函数的方法进行评估指标的评分。这一类指标评估器统称为隶属度评估器，在实际应用时，视指标具体情况，通过设置合理的空间分区门槛值（即模糊指标 a，b，c，d）和输入、输出隶属度函数，对评估指标进行评分，如淡丹辉[8]在东海大桥监测系统中提出的模糊推理系统（the fuzzy inference system）。

2 工程应用实例

东海大桥工程是上海国际航运中心洋山深水港区一期工程的重要配套工程，全长约31 km。东海大桥工程主要包括钢箱梁斜拉桥、大跨度变高预应力混凝土连续箱梁和30～70 m预应力混凝土等高度连续箱梁三大类结构形式，根据评估单元划分规则，桥梁总体划分为182个评估单元，其中8个评估单元设置了实时监测传感器。限于篇幅，本文以其中一个设置了实时监测的评估单元——160 m跨副通航孔桥的为例，以其2014年12月的监检测数据为评估数据来源，通过编制的软件程序模块采用基于《公路桥梁技术状况评定标准》的长大桥梁在线评估体系进行评估。

160m跨副通航孔桥为90m+160m+160m+90m变高度预应力混凝土连续梁，除传统的人工检测项目外，东海大桥监测系统在该评估单元各墩墩顶及两个副通航孔跨中位置布设了静力水准仪，并选择一个墩顶断面和副通航孔跨中断面设置结构温度计，实时监测该结构段的墩台沉降、跨中挠度和结构温度，测点布置见图2。

根据监测情况，该评估单元的在线评估体系设置中，除了评定标准中的构件评估指标外，在上部结构的主梁TXL-002和主梁TXL-003构件中，增加“跨中挠度”评估指标，采用可靠度评估器进行指标评分；而在下部结构的所有桥墩构件中，增加“墩台沉降”指标，采用隶属度评估器进行指标评分。根据2014年12月的监检测数据，160 m跨副通航孔桥在线评估结果为上部结构评分88.44，下部结构评分82.54，桥面系评分95.74，评估单元总体评分为87.54，结构状况为二类，说明有轻微缺损，但对桥梁使用功能无影响。评估过程及上部结构评估情况见图3（下部结构和桥面系的评估类似，限于篇幅，本文不再一一列出）。

3 结论

图2 160 m跨副通航孔实时监测布点图

图3 160 m跨副通航孔桥在线评估示例

本文在《公路桥梁技术状况评定标准》的基础上，制定了将长大桥梁按结构形式划分为若干受力独立的评估单元的规则，然后以分层综合评估方法为纲，对特定的底层评估指标设计了能适用监测数据为输入的在线评估器。该体系对构件评估指标进行了拓展，使构件评估指标涵盖海量监测数据和传统的人工检测数据，从而更全面、准确的对长大桥梁进行在线评估。所编制的软件模块中，用户还可根据实际情况对底层指标和评估单元的评估结果进行修正，并可根据海量监测数据特点对评估指标选择合适的在线评估器。以东海大桥副通航孔桥监测数据的评估结果表明，经该体系得出的评估结果准确、客观、合理，验证了在线评估体系的正确性和适用性。

[1]孙利民,周毅.中国桥梁工程学术研究综述·2014，8.1节桥梁健康监测[J].中国公路学报特刊,2014.

[2]JTG/T H21-2011,公路桥梁技术状况评定标准[S].

[3]李爱群,丁幼亮,王浩,等.桥梁健康监测海量数据分析与评估—“结构健康监测”研究进展[J].中国科学：技术科学,2012,42(8)：972-984．

[4]王瑀,荆国强,王波.桥梁健康监测系统在线结构分析及状态评估方法[J].桥梁建设,2014,44(1)：25-30.

[5]Mark G.Stewart.Reliability-based assessment of ageing bridges using risk ranking and life cycle cost decision analyses[J].Reliability engineering,2001,74(3)：263-273.

[6]M H Faber.Reliability based assessment of existing structure safely and reliability[J].2000(2)：247-253.

[7]Liu,M.,Frangopol,D.M.,Kim,S..Bridge System Performance Assessment from Structural Health Monitoring：A Case Study[J].J.Struct.Eng.,2009(6)：733-742.

[8]Danhui Dan,Limin Sun,Zhifang Yang.The application of a fuzzy inference system and analytical hierarchy process based online evaluation framework to the Donghai Bridge Health Monitoring System[J].Smart Structures and Systems,2014，14(2)：129-144.