基于监测数据的铁路桥梁结构健康状态评估

胡健勇，　苏木标

(1.广州铁路(集团)公司 广深铁路实业发展总公司，广东 深圳　518000；2.石家庄铁道大学 大型结构健康诊断与控制研究所，河北 石家庄　050043)



基于监测数据的铁路桥梁结构健康状态评估

胡健勇1，苏木标2

(1.广州铁路(集团)公司 广深铁路实业发展总公司，广东 深圳518000；2.石家庄铁道大学 大型结构健康诊断与控制研究所，河北 石家庄050043)

铁路桥梁作为铁路线上的一种大型结构物，如何保证其在运营期间保持良好的健康状态，对保障铁路运输安全畅通具有重要的意义。对于大型铁路桥梁结构，借助健康监测系统对其进行实时监测，并利用监测数据对其健康状态进行评估，这已成为工程界研究的热门课题。以健康监测系统收集到的原始数据为基础，引入桥梁健康指数BHI来表征铁路桥梁的健康程度，提出了一种适用于铁路桥梁健康状态评估的加权评分法。根据武汉长江大桥的实际监测数据，运用该方法对其进行了健康状态评估。结果表明：该方法简单易懂，可操作性强，评价结果合理可信。

铁路桥梁；健康监测；加权评分法；健康状态评估

0　引言

铁路桥梁作为一种大型结构物，其生命周期与其它结构一样，遵循着设计施工、建成使用、渐趋老化、维修加固、重建或消亡的过程。随着服役时间的延长，铁路桥梁结构环境腐蚀作用逐渐加重，材料老化，结构性能退化，再加上列车提速的影响，由结构损伤引发的桥梁事故时有发生。为了使铁路桥梁保持良好的运营状态，预防或减少桥梁事故的发生，目前，利用健康监测系统对铁路桥梁的健康状态进行实时监测和评估，这已经成为桥梁领域研究的热点。但是，对于安装有健康监测系统的铁路桥梁而言，由于不同桥梁其结构形式不同，所处的工作环境不同，使用目的不同，其监测指标(监测内容)的类型差异较大。有关桥梁结构各监测指标的健康等级评定，目前国内并没有形成一套相应的评价标准，没有较为合适的评估方法，导致监测系统收集到的部分原始数据仍存在不同程度的堆积现象[1-2]。从健康监测系统中各类监测指标的相对变化量出发，通过引入桥梁健康指数(Bridge Health Index，BHI)来表征铁路桥梁的健康程度，提出一种适合铁路桥梁运营状态下健康状态评估的加权评分法，拟对基于监测数据的铁路桥梁结构健康状态评估方法进行一些有益的探索。

1　加权评分法的评估流程

根据所要进行评估的桥梁及其监测的具体内容，加权评分法的评估流程如图1所示。

图1　加权评分法的评估流程

1.1评估指标体系的确定

健康状态评估指标体系选择的正确与否，直接关系到桥梁健康状态的最终评估结果。因此，评估指标体系涵盖的信息量必须尽量全面，并且能够反映桥梁结构的实际情况。一般而言，评估指标体系建立的基本原则主要包括：完整性原则、简洁性原则、相对独立性原则和客观性原则等[3]。

针对不同的桥型，结合上述原则，通常可根据监测系统具体的监测指标(即监测内容)进行相应的取舍，进而建立有针对性的桥梁健康状态评估指标体系。

1.2评估指标的健康等级界限及定义

根据《铁路桥隧建筑物修理规则》(TG/GW103—2010)[4]和《高速铁路桥隧修理规则(试行)》(TG/GW114—2011)[5]，将桥梁结构各层评估指标的健康等级，按其不同的劣化程度划分为基本完好(D)、轻微(C)、中等(B)、较重(A1)和严重(AA)这5种健康等级。

根据以往有关铁路桥梁状态等级划分的经验[4-7]，并结合结构自身的特点，以桥梁健康指数(BHI)来定量地划分铁路桥梁的5种健康等级(其中各类评估指标的健康指数以BHIi表示)，各类评估指标的等级界限[8]见表1。5种健康等级定义如下：

基本完好：凡结构物或构件劣化，对其使用功能和行车安全影响很小，评定为D级；轻微：凡结构物或构件劣化，对其使用功能和行车安全影响较小，评定为C级；中等：凡结构物或构件劣化，进一步发展将会升为A级的，评定为B级；较重：凡结构物或主要构件功能严重劣化，进一步发展会危及行车安全，评定为A级A1；严重：凡结构物或主要构件功能严重劣化，危及行车安全，评定为A级AA。

表1　各类评估指标的等级界限

1.3评估指标的权重计算

各待评估指标间的重要性比较，可以根据其重要性程度进行相应的排序，利用二元比较法[9]可得到待评估指标间的重要性模糊标度矩阵，即

(1)

式中，γ表示待评估指标间的重要性标度矩阵；γij表示重要性标度矩阵中第i行第j列(即第i类待评估指标相对于第j类待评估指标的)重要性标度值；l表示待评估指标种类的总数。标度矩阵中各元素(重要性标度值)的取值，可根据“两两比较”结果按表2选取。

根据式(1)所示的重要性标度矩阵，可得到各类评估指标的权重计算式为

(2)

表2　各重要性标度值的选取

注：当“两两比较”的结果为“同样”重要时，重要性标度值取0.500；当“两两比较”的重要性结果介于“同样”和“稍稍”之间时，重要性标度值取0.525；其它类推。

1.4桥梁健康指数计算

采用桥梁健康指数(BHI)来表征铁路桥梁在运营期间的健康状态，这是结构物状态评估时常用的方法[10]。桥梁的整体健康指数为桥梁各类评估指标的健康指数BHIi(i=1,2,…,l) 的加权求和，即

(3)

式中，ωi表示健康监测系统中桥梁的第i类评估指标(监测内容)的权重(i=1,2,…,l)；l表示评估指标种类的总数；BIHi表示健康监测系统中桥梁的第i类评估指标的健康指数。

1.5第i类评估指标的确定

由式(3)可知，为了实现对铁路桥梁整体健康状态的评估，首先，必须将桥梁的各类评估指标数据进行一定的数理统计处理，得到表征各类评估指标健康程度的表征量；其次，通过各类表征量，进一步求得各类评估指标的健康指数BHIi；最后，结合各类评估指标的权重，采用加权求和的方式进行计算。各类评估指标健康指数BHIi确定的具体步骤如下。

1.5.1各类评估指标数据的分析处理

对于安装有健康监测系统的铁路桥梁，可以将其收集到的每一类评估指标(监测指标)视为一个总体，由于总体中各样本点数据相互独立，那么在数理统计中，一般地可认为该总体分布服从正态分布[11]。

为了便于铁路桥梁各类评估指标健康等级的评定，采用各类评估指标实测值的相对变化量β[12]来表征该类评估指标的健康程度，即

(4)

式中，Xk(k=1,2…,n)表示某类评估指标总体中第k样本的实际监测值的最大值；n表示该类评估指标所包含的样本总数；μ表示该类评估指标总体中各样本的实际监测最大值的平均值；σ表示该类评估指标总体中各样本的实际监测最大值的标准差。

对于公式(4)，当总体方差σ2未知，且样本数量n足够大时，可用样本方差S2替代σ2，则β服从的分布为

(5)

某类评估指标实测值的相对变化量β无量纲，它的作用在于各类评估指标可通过其实际监测值的大小，就能反映自身的健康程度。将β所反映的偏离程度，按照定性描述和定量表示的方式，划分为基本完好(1级)、轻微(2级)、中等(3级)、较重(4级)和严重(5级)这5种健康等级。

对于安装有健康监测系统的铁路桥梁，由于各类评估指标(监测指标)的样本数量n足够大，所以β服从式(5)表示的标准正态分布。

1.5.2各类评估指标的5种健康等级在实数轴上取值区间的划定

桥梁结构健康状态评估最终的等级评定结果，是由其中各类评估指标的各种健康等级发生的概率，通过线性或非线性的方式累积叠加决定的[8]。根据交通部科学研究院利用《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21—2011)对18 500座公路桥采样的评定结果[13]，可假设各类评估指标对应的5种健康等级发生的概率分别为：基本完好为20%，轻微为60%，中等为15%，较重为4%，严重为1%。

根据概率论与数理统计中有关结论可知，对于置信度为100%，在标准正态分布曲线实数轴上的取值区间可近似取为(-3.09,+3.09)[14]。

由概率论与数理统计原理可知，对于任何一个总体分布Y，其中未知变量Yk(k=1，2，…，n)是来自总体的一个随机样本，且满足各Yk相互独立。倘若对于任意给定的一个置信度ξ(0≤ξ≤1)，则存在一个值λ，满足

(6)

由式(6)，并根据标准正态分布的取值规定，查表可得到某类评估指标的β所对应的5种健康等级发生的概率之和∑St与标准正态分布曲线实数轴上对应的分位点ut间的关系式为

(7)

式中，St表示某种健康等级发生的概率，m=5，其中t=1为基本完好，t=2为轻微，t=3为中等，t=4为较重，t=5为严重；ut表示标准正态分布曲线实数轴上与5种健康等级概率之和所对应的分位点。

代入上述5种健康等级发生的概率，经式(7)计算后，可得到各分位点ut。取β大于零的分位点。在实数轴上，各类评估指标的5种健康等级发生的概率之和∑St与β值的关系见图2。

图2　各类评估指标的5种健康等级发生的概率之和∑Si与β值的关系

1.5.3各类评估指标的5种健康等级及其对应的BHIi取值范围

根据表1和图2，可确定各类评估指标的5种健康等级及其对应的BHIi取值范围，见表3。

表3　各类评估指标的5种健康等级及其对应的取值范围

注：具体的BHIi取值可根据β的平均值大小，按线性插值的方式得到。

2　实例分析

以武汉长江大桥长期健康监测系统的监测数据为例，说明基于监测数据进行桥梁健康状态评估的具体方法和过程。

武汉长江大桥地处京广线跨越长江的咽喉要道，为一座三联九孔的公铁两用连续钢桁梁桥，于2009年安装了健康监测系统。根据该桥的具体状况，健康监测系统的实际监测内容主要包括：①横向振动加速度；②横向振动位移；③梁体跨中挠度；④竖向振动加速度；⑤竖向振动位移；⑥铁路纵横梁应变；⑦梁端位移等。基于大桥的实际监测数据，运用加权评分法对该桥进行健康状态评估，并以上述7类主要监测内容作为具体的评估指标。

2.1各类监测指标的实际监测数据处理结果

其它评估(监测)指标所对应的监测数据的处理过程同理(详见参考文献[15])，结果见表5。

2.2各类评估指标的权重计算

根据“二元比较法”原理及现场专家意见，针对武汉长江大桥各类评估(监测)指标，经过“两两对比”由式(1)可建立关于各类评估指标的重要性标度矩阵，再由式(2)求得各类评估指标的权重，见表5。

表4　2010年7月份横向振动加速度指标的实际监测数据处理结果

2.3各类评估指标的健康指数BHIi计算

对于横向振动加速度指标，由表4可知，它的β均值为0.84，则由表3所列的BHIi取值范围，按照线性插值方法，其相应的BHIi=80+15/1.03×0.58=88.45。同理，可求得其它评估指标相应的BHIi，见表5。

表5　各类评估指标的β取值区间、均值及相应的BHIi和权重ωi

2.4计算武汉长江大桥的整体健康指数BHI

再由表1可知，该桥的健康等级为2级(轻微)，属于轻微中略微偏向基本完好的健康等级。

3　结论

基于桥梁健康监测的数据，采用加权评分法对铁路桥梁运营状态下的健康状态进行评估，首先根据监测系统所包含的监测内容(监测指标)建立评估的指标体系，然后根据各类评估指标的重要性建立相应的重要性标度矩阵，进而确定各类评估指标的权重，经过对各类评估指标中各测点的监测数据相对变化量进行必要的概率统计分析，求得各类评估指标的健康指数，最后求得全桥整体健康等级。评估结果表明：该方法思路清晰，简单易行，可操作性强，评估结果合理、可信，健康等级界限分明，对以后桥梁健康监测与评估系统的开发与研究有参考价值。

[1]邬晓光, 徐祖恩. 大型桥梁健康监测动态及发展趋势[J]. 长安大学学报:自然科学版，2003(1): 39-42.

[2] 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(8): 972-984.

[3] 徐威. 既有铁路混凝土桥状态评定方法研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2005.

[4] 中国人民共和国铁道部. 铁运涵[2010]38号 铁路桥隧建筑物修理规则[S]. 北京: 中国铁道出版社, 2010.

[5] 中国人民共和国铁道部. TG/GW 114—11 高速铁路桥隧建筑物状态评定标准(试行)[S]. 北京: 中国铁道出版社, 2013.

[6] 杨帆, 苏木标. 铁路桥梁地震灾害损失评估技术[J]. 自然灾害学报, 2013(3): 213-220.

[7] 曲兆宇, 田亚护, 路青虎，等. 青藏铁路桥梁状态评定方法研究[J]. 铁道建筑, 2012(9): 33-36.

[8] 中华人民共和国交通运输部. JTG/T H21—2011 公路桥梁技术状况评定标准[S]. 北京: 人民交通出版社, 2011.

[9] 苏木标, 井海明, 戎密仁. 铁路隧道地震灾害损失评估技术研究[J]. 铁道学报, 2013,35(11): 98-105.

[10] 国家建设部. CJJ 99—2003 城市桥梁养护技术规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2004.

[11] 邹述超, 何蜡梅. 概率论与数理统计[M]. 北京: 高等教育出版社, 2008.

[12] 魏召兰. 高速铁路大型桥梁结构健康监测与状态评估研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2012.

[13] 陈栋梁. 桥梁技术状况评定方法比较研究[D]. 重庆: 重庆交通大学, 2013.

[14] 浙江大学数学系高等数学教研组. 概率论与数理统计[M]. 北京: 人民教育出版社, 1979.

[15] 胡健勇. 铁路桥梁健康状态评估技术研究[D]. 石家庄: 石家庄铁道大学, 2015.

Assessment of the Health Status of Railway Bridge Structure Based on Monitoring Data

Hu Jianyong1，Su Mubiao2

(1.Guangzhou Railway (Group) Company, Guangshen Railway Industrial Development Corporation，Shenzhen 518000，China；2. Structural Health Monitoring and Control Institute，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China)

Railway bridge acts as a kind of large structures on the railway line, ensuring the bridge to remain in a good health status during the operation is of great importance to the safety of railway transportation. For a large structure of railway bridge, it has become a hot topic in the research of engineering to evaluate the health status using the monitoring data with the aid of health monitoring system for real-time monitoring. Based on the original data collected by the health monitoring system, and introducing the bridge health index (BHI) to characterize the health level of railway bridge, a weight grade method suitable for assessment of the health state of railway bridge is put forward in this paper. Based on the actual monitoring data of the Wuhan Yangtze river bridge, assessment of the health status of the bridge is carried out with this method. Results show that the method is simple and convenient, and the evaluation results are reasonable and reliable.

railway bridge;health monitoring;weight grade method;health status assessment

2015-10-12责任编辑:车轩玉DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.03.07

国家自然科学基金(51278315)

胡健勇(1989-)，男，硕士，助理工程师，主要从事桥梁健康监测与评估的研究。E-mail:1048812531@qq.com

U441.5

A

2095-0373(2016)03-0039-06

胡健勇，苏木标.基于监测数据的铁路桥梁结构健康状态评估[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版,2016,29(3):39-44.