基于桥梁技术状况评定原理的系统评估程序化实现★

曹明盛 赵义龙

(北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044)

0 引言

桥梁作为高架线路的主要结构部分，在长时间的环境侵蚀、列车的反复动力作用下，使结构内力加大引起结构的局域性损伤，考虑到微小范围内的损伤并不能使结构发生倒塌破坏，但随着损伤的累积，结构的抗力和寿命下降，从而给工程结构的安全和稳定性留有隐患，因此桥梁健康监测与评估已成为国内外桥梁养护管理机构重要关注部分。

国外在20世纪80年代便已开始大型桥梁结构安全监测方面的研究，并在某些重要桥梁上安装监测系统，例如英国在Foyle桥上布设传感器以监测大桥运营阶段主梁在风载和车辆荷载下的动力响应。此外还有美国的日照航路斜拉桥，日本的明石海峡桥以及韩国的西海斜拉桥等均安装了较为完备的监测系统[1]。我国自20世纪90年代中期开始，在上海徐浦大桥，香港青马大桥等均安装了结构监测系统,根据各个桥梁的个体特征状态，提出了不同的结构健康监测与评估系统策略及方案。

胡顺仁将数据通信领域的差错控制思想引入桥梁结构健康监测系统，从系统高度建立桥梁结构健康监测系统的差错控制理论，较好的解决了系统中数据失真问题，提高系统数据的可靠性[2]。黄方林等[3]对信号分析与处理的传统谱分析方法与小波变换、希尔波特黄变换进行比较，对动力指纹分析法、模型修正与系统识别法、神经网络法、遗传算法5种损伤检测方法的基本原理、特点及发展动态进行概述和总结，指出神经网络技术结合遗传算法是结构损伤检测的发展方向之一。何旭辉等[4]以南京长江大桥为背景，提出了该桥结构安全监测思路和具体实施方案，以对桥梁的结构响应和工作环境进行实时监测，并利用获取的信息分析结构的工作状态，评估结构的可靠性，为大桥的管理和维护提供科学的决策依据。陈宇哲[5]通过建立适合中小跨径桥梁的传感器网络的健康检测系统，做到桥梁状况监控、病害预警及状态发展预测。李惠等[6,7]研究滨州黄河公路大桥和哈尔滨松花江大桥两座大型斜拉桥结构健康监测系统的总体设计方案、子系统的设计方案和硬软件设备及其实现、系统的集成技术及其实现方法，分析两套健康监测系统在成桥试验和运营中监测的桥梁结构荷载和静动力反应。

本文基于地铁五号线已有的监测系统，以桥梁技术状况评定为理论基础，采用JAVA语言编写相应语句，实现桥梁系统评定的程序化，以最终分数及桥梁评定等级的形式评估桥梁健康状况，便于管理人员对桥梁状况进行实时了解及及时制定相应的养护维修策略。

1 系统框架

状态评估是根据检测数据对结构进行评估，并根据评估的结果来决定桥梁的养护、维修、加固改造或替换。其中状态评估又分为单项评估和综合评估，如图1所示。

1.1 单项评估

单项评估是为了对每个具体的监测病害进行实时评价，判断其是否超过阈值，确保每一项监测内容都在合理的安全运营范围内，并且具有超限报警功能。

从时域的角度探索地铁桥梁监测数据的特点和变化规律，对预处理后的长期监测数据绘制时间序列图，初步分析桥梁结构作用效应和温度的相关性。结合傅里叶变换和小波变换的方法，从频域的角度探索地铁桥梁监测数据的特点和变化规律。以北京地铁5号线上连续梁桥长期健康监测数据为样本数据，探索温度监测数据和梁体应力及梁体位移等桥梁结构作用效应监测数据的频率组分，根据桥梁结构作用的多尺度特点，将监测信号分解到不同频带上，实现了监测信号的分层。最终，通过分析得到桥梁结构作用效果与温度变化的拟合关系，如表1所示，单项评估设计流程图如图2所示。

表1 各测项阈值表

1.2 综合评估

综合评估借鉴了JTG H11—2004公路桥涵养护规范[8]及JTG/T H21—2011公路桥梁技术状况评定标准[9]对桥梁技术状况的评定方法。将各项监测数据进行预处理后，通过对各基础项进行加权评价得到二级评估矩阵，再由二级评估矩阵进行加权评价得到三级评估矩阵，进而得到结构最终分值，最后将分值与评估等级分数对照表比较，得出结构安全等级。综合评估为对整体桥梁进行实时评价，分析整座桥梁是否处于安全运营状态，其设计流程图如图3所示。

2 系统展示

根据上述框架及原理，通过JAVA语言编写响应程序，以地铁5号线为试点建设桥梁综合评价系统，系统部分功能及界面展示如图4，表2所示。由图4可以看出，单项评估界面中可以显示动态阈值、采集的原始数据以及温度变化情况，在正常状态下动态阈值可以包络住监测数据，如果有异常数据超过阈值，则会立刻报警；由表2可以直观的看出综合评估给出了每座桥梁的上部结构、下部结构以及附属的评定分数，并判定了桥梁的最终等级。

表2 桥梁综合评价结果输出结果

序号线路桥区间安全等级上部结构得分上部结构得分上部结构得分评定时间15号线北苑路北—立水桥2类85.4489.8188.512.2425号线立水桥南—立水桥2类84.0089.3085.0012.2435号线天通苑南—天通苑2类88.6990.0090.0012.2445号线立水桥—天通苑南2类85.8090.0090.0012.2455号线天通苑—北苑路北2类87.7590.0085.0012.24

3 结语

通过对大量实时监测数据进行分析得出各项检测指标的动态阈值，参考相关技术标准及国内已有监测系统给出各监测指标综合评价权重、打分标准以及安全等级划分标准。单项评价系统通过实时监测数据与动态阈值的比较反映桥梁实时安全状况，一旦出现超限情况及时报警并启动相应预案来保障桥梁的实时安全。综合评价系统通过各项监测指标得分加权求和来划分桥梁安全等级，反映桥梁的长期综合健康状况。该评价体系通过实时的单项与综合检测评价相结合，既能保障桥梁的实时服役安全，也能反映桥梁长期健康状况。