桥梁健康状态的智能评估方法研究分析

汪操根 周伟卫 刘其军

（广州瀚阳工程咨询有限公司，广东 广州 510220）

自从上个世纪五十年代以来，人们开始认识到桥梁安全检测的重要性，但是受科技技术手段的限定，桥梁早期监测手段比较落后，桥梁检测应用受限较大。但是在近几年大跨桥梁设计形式和功能的日益复杂化，桥梁检测技术成为国内外学术界人士关注的重点。某地区的市辖区有大小跨河桥梁10 余座，这些桥梁对盘锦市的经济发展、居民出行起着至关重要的作用。这些桥梁当前已经接近使用年限，年老失修现象严重。于货运车辆超载现象比较严重，客观上也缩短了一些桥梁的使用寿命；由于施工质量等人为因素，一些桥梁达不到设计要求的使用年限；加之桥梁安全监测的技术手段落后，辖区内的桥梁安全状况令人非常担忧。为此，文章结合桥梁健康监测内涵和状态，结合分层理论具体分析该桥梁健康状态智能评估方法。

1 桥梁健康监测及安全评估和损伤诊断

桥梁健康监测主要是指通过对桥梁结构的无损检测、实时监控结构的整体行为，具体包含对桥梁结构损失位置和损伤程度的诊断，同时还包含对桥梁服役情况、可靠性、耐久性、承载能力的综合评估。通过有效的综合评估能够为大桥在特殊气候和交通情况下 的运行异常发出预警信号，进而为桥梁的维修养护提供重要科学指导。

健康诊断是指结构在受到自然的、人为的破坏或者经过长时期使用后，通过测定其关键性能指标价差桥梁的使用本身是否受到损伤，如果确定了出现损伤还要具体确定其损伤的位置、程度，由此判断桥梁的剩余使用价值和使用寿命。

桥梁健康安全性评估是通过应用各种可能性的测试分析手段来对桥梁结构的应用状态进行分析，并将桥梁的应用情况和临界失效状态进行综合比对分析，评价系统所属于的安全等级。从实际操作情况来看，对于不同的结构，由于其重要程度不同，安全等级也应该有所差别。安全性评估与可靠性不同，可靠性为一种概率，为一种可能性；而安全性评估旨在给出确定的安全等级，

桥梁的损伤诊断目标是清晰准确的确认结构是否存在损伤。桥梁的损伤诊断的统计模式、识别模型一般是收集损伤前后系统的特征，比较新的模式是否偏离原始模式。

2 桥梁健康状态评估的层次分析法

混凝土桥梁结合结构不同具体可以被分为连续梁、简支梁，在具体建设中受结构形式和材料的限制，混凝土桥梁的跨度不大，为此需要在混凝土桥梁上安装长期监测系统。

2.1 混凝土桥梁评估体系的打造

2.1.1 承载能力评估

混凝土桥梁的承载能力评估要比一般桥梁复杂的多为此，需要通过应用严谨的分析方法和科学的数学模型来确定桥梁的承载能力。第一，基于规范的检算方法。这类检算方法的评估过程是建立在设计过程结构分析基础上的方法，由于设计理论对结构力学模型简化和实际受力情况存在差别以及计算采用的简化材料本构关系不同在具体操作的时候无法反映出结构退化后的受力行为。第二，荷载试验。在桥梁检测和验算结果无法确定桥梁承载力的时候进行荷载试验，通过这项操作分析桥梁的实际工作情况，由此确定桥梁的刚度、强度和抗裂性能，实现对桥梁承载能力的准确评估。

2.1.2 综合技术情况评估

混凝土桥梁综合技术评估主要是从结构安全角度来对构件缺损情况的分析评估，具体评估素质在很大程度上受评估者以往经验的影响。综合技术评估需要参考桥梁构件五种典型受力构件界面的可靠性指标，结合指标打造评估模糊模型。

2.2 健康状态评估体系

承载能力是桥梁承载的极限状态评估，也可以说是桥梁的健康状态评估，具体包含以下几个方面的内容：①强度和稳定性的评定；②地基和基础的评定；③刚度评定；④开裂情况评定。从实际发展情况来看影响桥梁强度和稳定度的因素是桥梁的外观质量、模态参数和环境因素，评估体系涉及到的指标包含自振频率、模态振型等。混凝土连续梁评估模型具体如图一所示。

2.2.1 拉索桥梁评估体系

拉索桥梁的跨度较大，具备的功能也更多，因为在对桥梁状态检测和评估之外还需要注重对桥梁的状态进行长期检测，即应用监测数据信息来对桥梁结构情况开展健康状态评估。按照桥梁基本构件打造的分层次的评估模型如图二所示。根据图二发现，模型评估目标分为表观检查和结构监测两个目标，具体参数包含墩台基础、钢箱梁、主缆、索塔、附属设施等。

图二 按照构件层次建立的评估模型

2.2.2 钢管拱桥的评估体系

通过建立钢管拱桥长期监测和状态评估系统不仅能够为桥梁结构状态情况开展实时性的监测和评估，通过这项评估来确保桥梁结构的运行安全，而且还可以通过监测桥梁结构的动静态来打造钢管混凝土拱桥理论模型。钢管拱桥的评估体系模型如图三所示。这类模型的打造都是通过荷载试验获取的数据来开展的活动，在具体操作中没有考虑实时监测环境下的影响因素，比如指标的可监测性、交通流量情况等。

图三 钢管拱桥的评估体系模型

2.2.3 桥梁健康状态评估层次分析的技术路线

桥梁健康状态评估层次分析综合评估流程如图四所示。在应用传统AHP 方法对监测指标进行底层评语的时候一般会采取百分制的形式进行评估，但是在具体操作中会出现因为模糊性而无法定量分析的现象，针对这个问题需要在桥梁健康状态评估中引入模糊理论，借助模糊理论和层次分析思想打造多元化的智能模糊评估模型，通过该模型的打造来向人们展示桥梁健康状态的评估结果。

图四 桥梁健康状态评估层次分析综合评估流程

3 某大桥健康状态评估策略

3.1 大桥基本情况

大桥在武汉长江大桥下游6.8km 的位置上，全桥总体长度为5748m，主要桥梁是双塔双索面自锚式悬浮连续体系预应力混凝土斜拉桥，斜拉桥段桥上的塔高是94m，桥面上六个车道的宽度是29.5m，桥梁的设计荷载是-20 级，挂-120 级。大桥在从通车开始承担着地区繁重的交通压力，每日通车数量在10 万辆左后，但是大桥实际能够承担的车辆是每天5 万辆。在使用的过程中大桥承担高负荷，桥梁结构安全性受到损害。针对这个问题 有关部门打造了桥梁健康监测和状态评估系统(如图五所示)，为桥梁管理部门掌握桥梁结构的健康状态和桥梁科学管理提供了重要数据支持。

图五 桥梁健康监测系统总体示意图

3.2 桥梁健康状态的智能监测评估

3.2.1 以往桥梁健康状态检测的缺点

当前国内对桥梁健康状态的检测是在桥梁设计、施工完成交付使用前，或者在发现桥梁结构出现特殊开裂、变形过大、重载等问题的时候对桥梁总体情况进行检测评估。对桥梁的检测评估一般以人工方式为主，即在桥梁受力及变形关键部位上，外贴应变片或安装变形仪。通过实测特征值与理论计算结果对比，确定桥梁强度和刚度安全储备系数，实现对桥梁承载能力的评估。但是从实际操作情况来看，这类方法的应用局限较大，不仅需要具有一定资格能力的工程师，而且最终检测结果还有可能无法满足桥梁安全需要。

3.2.2 最新桥梁健康状态检测

桥梁系统的功能特点。桥梁监测技系统是一个复杂化、综合化的技术性系统，在操作的过程中包含桥梁关键部位的参数测量、测量数据信息的现场采集、指令和数据的远程传输、数据信息存储管理、桥梁结构安全状态的评估预警。桥梁系统的功能特点具体表现在以下几个方面：①桥梁监测系统由软硬件共同组成，其中，硬件系统包含传感器系统、数据采集管理系统、数据信息传输系统、数据分析系统；软件系统主要是指对桥梁结构状态和安全情况的评估。②通过安排在桥梁上的传感器来获取桥梁结构行为信息，从而实现对桥梁建设周围温度、风、交通、荷载情况的监测。③在测试技术和通讯技术的支持下实现对系统数据信息的网络化共享。第二，桥梁健康状态检测技术特点。①确定桥梁基准状态。桥梁结构基准状态分为三种模型，分别是设计模型基准状态、竣工模型基准状态、营运基准状态。考虑到大跨度桥梁施工的复杂，且容易出现实际状态信息和预定信息不吻合的问题，为此可以应用大桥结构竣工试验监测信息修正结构设计模型来获取能够反映工程竣工实际情况的修正模型。桥梁竣工状态可以应用基于设计假定的模型修正方法来获取，之后根据桥梁通车荷载试验的动力实测数据、有限元计算结果打造有限元模型和竣工实测状态在主梁竖向刚度和质量分布的误差较小，由此证明应用精细有限元打造的主梁和拉索参数假定比较准确。②健康状态的综合评估。在对桥梁健康状态进行综合评估的时候需要将实际测量数据信息和规范标准或者没有损伤的基准状态数值进行比较，在比较之后制定相应的评估准则，从而帮助人们更加准确的评估出桥梁的实际健康状态。考虑到外部多种因素对桥梁使用的影响，桥梁健康状态综合评估系统可以根据监测报警信息开启桥梁健康状态评估系统，通过系统的建设减少数据信息的处理时间。

4 结语

综上所述，文章在阐述桥梁健康监测及安全评估和损伤诊断内容的基础上，分析了桥梁健康状态评估的层次分析法，并以某大桥运行的健康监测系统建设情况确定了基于层次分析法桥梁健康监测功能和基本技术路线，旨在能够通过有效评估和分析更好的促进桥梁建设发展。