位移数据分析在实桥监测中的应用

2020-03-11杨有辉

公路交通技术 2020年1期

于洋，杨有辉，唐浩

(1.齐鲁交通养护股份有限公司，山东聊城 250000； 2.重庆全通工程建设管理有限公司，重庆 400067；3.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

桥梁结构老化、车辆超载、船撞、自然灾害等都是影响安全的重要因素[1-5]。为了及时发现结构隐患，近年来许多桥梁都建立了远程实时监测系统[6-9]，专家、学者、管理者、技术人员通过对监测数据的分析，即可了解桥梁实时运营状态[10-15]，保障交通生命线和人民群众的生命财产。本文通过对国内某实桥A伸缩缝位移监测数据分析，发现结构异常是由桥梁的约束体系发生改变引起。管养人员现场确认桥梁辅助墩支座损坏，与位移监测数据分析结果一致。2019年1月，该桥已更换损坏支座，完成加固施工，确保了安全运营。

1 桥梁概况及伸缩缝位移测点位置

桥梁A全长992 m，主桥长632 m，主桥上部结构为双塔双索面预应力混凝土斜拉桥。整体以桩号增大方向(B1→B2)为正方向，各墩台编号按正方向依次为 0#台、1#墩～13#墩、14#台，按正方向定义左右侧，如图1所示。其中，大桥的整体纵向位移是直观评估大桥内力状态的重要参数，采用磁致伸缩位移计对主桥两岸伸缩缝变形进行监测，监测主梁在伸缩缝处的位移可为评估主梁和伸缩缝的安全使用状态提供依据。

(a) 立面示意

(b) 平面示意

2 伸缩缝位移监测分析

2018年3月1日至2018年5月31日,4个伸缩缝测点的实测位移监测曲线如图2～图5所示(以伸缩缝扩展为正)。从图2～图5可以看出，随着环境温度的整体上升，主桥两岸4个伸缩缝位移测点监测值均有一定减小趋势，但都未超过设定报警阈值，总体来看实测曲线较为平稳，符合理论计算规律和历史监测结果。

图2 EJD-1位移监测曲线

两岸统计特征值见表1。由表1可知，A桥主桥B2岸位移监测波动量、标准差约是B1岸的2倍，说明B2岸监测值离散程度较B1岸更大，且B2岸监测值的均值与B1岸差异明显，说明两岸位移监测值不在同一水平。由于该桥结构对称，在温度荷载、车辆荷载作用下两岸伸缩缝变化规律应一致，但实际分析结果与理论规律差异较大。

图3 EJD-2位移监测曲线

图4 EJD-3位移监测曲线

图5 EJD-4位移监测曲线

表1 位移监测统计值 mm

2016年7月1日至2018年6月15日,两岸位移差异性曲线如图6、图7所示。从图6、图7可以看出，在1年半的时间内，主桥两岸左右两侧差异始终维持在一定水平波动；但从2018年2月16日开始，差异水平显著提高，两岸伸缩缝的变形规律与之前的变形规律明显不同。

图6 右侧位移差异曲线

图7 左侧位移差异曲线

为了进一步分析两岸位移监测曲线的关联性，采用互相关系数与特征空间距离评价时间序列的相似性，如图8所示。在数据挖掘过程中，相似度度量和距离度量是最常用来衡量个体、数列关联性的评价指标。从图8可以看出，距离度量衡量的是空间各点间的绝对距离，跟各点所在位置坐标(即个体特征维度的数值)直接相关；而余弦相似度衡量的是空间向量夹角，更加体现的是在方向上的差异，而不是位置。如果保持A点位置不变，B点朝原方向远离坐标轴原点，那么此时余弦相似度cosθ是保持不变的，因为夹角不变，而A、B两点的距离显然在发生改变。

图8 角度相似性与空间位置相似性差异

2016年7月1日至2018年6月15日,两岸右侧、左侧伸缩缝测点的相关系数曲线及特征空间距离如图9～图12所示。从图9、图10可以看出，相关系数始终大于0.65，是强相关，说明两岸监测数据在“角度”相似性上始终处于较为稳定的水平。从图11、图12可以看出，自2018年2月16日开始，特征空间距离出现较为明显的变化，与前期稳定的空间位置形成鲜明对比，这也与前述差异性分析的结果一致。

图9 右侧相关系数

图10 左侧相关系数

图11 右侧特征空间距离

图12 左侧特征空间距离

3 现场校勘

虽然通过对伸缩缝位移监测数据的分析发现了桥梁结构的异常征兆，但这不能排除是桥梁监测系统故障导致采集数据失真的可能。技术人员于2018年6月20日前往A桥现场勘测，如图13所示；人工检测结果见表2。从表2可知，同一天上午、下午2个时间段，人工检测B2岸左、右侧位移监测波动量的确大于B1岸左、右侧，这与前述位移监测数据的分析结果一致，说明桥梁运营监测系统工作正常。