桥梁自动化监测阈值设定方法研究

朱彤

摘 要：本文主要介绍了已运营桥梁自动化监测阈值的确定方法，阐明了现阶段桥梁监测中阈值设定方法的优缺点及适用范围和存在的弊端，提出了未来桥梁监测阈值设定方法的发展和方向，对未来设定桥梁监测阈值的方法的优缺点进行了阐明。

关键词：桥梁健康监测、阈值、有限元

1.行业现状

桥梁是交通运输系统中重要的组成部分，对于国民经济的稳定和持续发展起着重要的作用，现役桥梁由于分布广、数量多，养护不及时，受到自然环境侵蚀和材料老化等因素的影响，加之车辆荷载的长期效应，超重车辆管控不严等因素，使桥梁结构的安全性降低，导致出现安全事故的可能性的概率增加。

加强桥梁结构的安全监测，时时掌握桥梁的运行状态，不仅关系到国家的经济命脉的畅通，而且也直接关系到人民群众的生命财产安全。

合理设置阈值是桥梁健康监测系统的重要一环，当前桥梁健康监测阈值设定方法有如下特点：

（1）普遍采用的预警方式为基于原始数据的多级阈值体系;

（2）阈值概念逻辑简单，操作便捷，具有实用价值;

（3）阈值的确定往往缺乏可靠依据;

（4）简单对原始数据划定阈值并不适用于所有类型的监测指标。

2.常用阈值确定方法

2.1依据规范设置阈值

依据规范标准设置阈值是目前设置监测阈值最普遍采用的方法。其优点是概念清晰明确，从理论上和工程上均具有一定的保障。其缺点是现有的结构监测相关规范大都针对大桥、特大桥体系，而对于中小桥、特别是农村公路桥梁并没用相关阈值设定的规范，而且过去设计规范中的一些规定已经不能很好的适应结构发展现状，阈值区间较大，相对偏于不保守。

大桥、特大桥结构可依据监测相关规范（例如《公路桥梁结构安全监测系统技术规程 JT/T1037-2016》、《大跨度桥梁结构健康监测系统预警阈值标准》 T/CECS 529-2018等），其他桥梁可以参考上述规范，应注意监测方式是否与规范相符。

结构设计规范（例如《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG 3362-2018 、《公路钢结构桥梁设计规范》JTG D64-2015等）中的通用限值可作为严重等级的预警阈值，但应特别注意限值所对应的荷载工况及组合。

2.2依据设计资料设置阈值

设计值依据规范计算得到，能够较准确地反映结构自身的特性，但其主要的缺点在于设计荷载与真实荷载模式不同;监测数据包含复杂因素，无法准确对应到设计值;设计资料无法覆盖实际测点，老旧桥梁资料缺失等问题。

该阈值设定的方法适用于各类桥梁，尤其适合于索力、挠度、自振频率等指标。需要特别注意理解设计值的含义，明确设计值所采用的荷载组合（是否包含自重等）以及对应的桥梁建设阶段（施工阶段/成桥状态），避免误用

2.3依据有限元仿真设置阈值

依据有限元仿真设置的阈值是一些大型设计院和监测单位使用较为普遍的方法，其优点在于基于实际结构建立成桥状态模型，能够更准确地反映结构的实际受力情况，便于获取传感器所在位置处的结构响应。其主要缺点也较为凸显，设计荷载与真实荷载模式不同;监测数据包含复杂因素，无法准确对应到设计值;细节资料不足，建模可能不准确，特别是老旧桥梁经过多年运营后，材料结构出现损伤、老化，此时有限元建模计算的结果已不能反映出桥梁真实的受力状态。

2.4依据检测、荷载试验设置阈值

依据检测、荷载试验设置阈值，其实质上是基于实际桥梁测定，准确性较高。其缺点是荷载试验为短期试验，主要反映活荷载作用下结构的响应，其测量内容有限，无法覆盖各项监测指标，且针对个别桥梁，成本较高，不能作为行业内通用的阈值标准。桥梁定检报告中的索力、主梁線形等，可作为该桥梁监测的基准值。

2.5依据历史数据统计特征设置阈值

依据历史数据统计特征设定阈值的优点：基于实际桥梁测定，准确性较高

能够有效控制报警事件发生的概率，其缺点主要有：需要通过试运行积累大量的实际数据，且假定在试运行阶段结构没有发生明显的损伤等异常情况，对于在试运行阶段已经发生异常的情况无法及时发现。该阈值设定的方法适用于各类桥梁，一般采用历史数据超越概率95%或者更高临界值进行控制，受长期效应影响，阈值需要间隔一段时间进行更新，但时间窗口的选择方式比较主观，该方法本身的合理性也仍在探讨中。

通过以上阈值设定的方法可以对桥梁各种监测数据进行分析，从而判定桥梁的运营状态。影响桥梁结构性能的因素往往具有较大的随机性，所以基于概率的方法设定阈值是处理随机性的有效工具，研究了桥梁结构监测阈值设定方法未来的发展[1]。

3.阈值设定方法未来发展

对原始数据进行分析处理后进行预警，可以提供更为合理可信的预警结果，极大减轻运维工作，避免大量无意义的错误预警。

3.1超越概率预警

超越概率预警是通过对一段时间的历史数据进行统计建模，得到其概率分布函数，再根据概率模型计算相应的阈值区间，并对未来的数据进行预警，该阈值设定的方法适用于各种情况，以实际数据为驱动，更适合用于静态数据。其存在的问题主要在于，预警效果取决于概率模型的建立是否合理：如通过一年以上的监测数据建立的概率模型，基本能够覆盖各种环境条件的情况，但其阈值区间也必然较大，对于很多异常情况可能无法及时发现。如通过一个月的数据建立概率模型，当不同月份之间温度差异较大时，预警也会失效。因此需要将温度引入概率模型的参数变量中，根据历史监测数据自动对概率模型的参数进行修正。

3.2残差预警

残差预警是指对数据进行长期效应剥离后，将得到的高频部分作为残差，与活载作用下结构响应阈值比较后进行预警。该方式主要适用于动态数据。对于静态数据，由于不存在高频成分，因此并不适用。其存在问题在于，预警效果取决于长期效应剥离算法的实现。

3.3相关性预警

对于某些理论上应当具有相关性的指标（例如结构温度与应变、温度与伸缩缝位移等），可以采用其相关系数来进行预警。当一段时间内数据的相关性低于某一阈值后，系统发出预警。该方式对于动态及静态数据均适用，指标之间在理论上应具有明确稳定的相关关系[2]（例如温度与位移等）。该预警方法存在问题在于可靠性和稳定性尚未得到验证，无法区分是数据异常还是结构异常，目前暂不推荐作为唯一的预警方式，而应当与其他预警方式配合进行预警。

3.4回归系数预警

对于一些具有明显相关性的指标，除了相关系数外，还可以进一步采用线性回归或多项式回归方法建立指标之间的统计模型。例如對于温度与伸缩缝位移，回归模型的系数代表着结构测点温度每变化1℃时伸缩缝位移的变化量。如果该系数发生了较为明显的变化，则可能意味着结构出现异常。

该方式主要关心长期影响，因此更适合于静态数据，适用指标包括与温度高度相关的各类指标、阻尼器及结构加速度幅值等。

回归模型的合理性是预警的关键。如模型不合理，则其回归系数理论上就不稳定，也无法用于预警。目前暂不推荐作为唯一的预警方式，而应当与其他预警方式配合进行预警

3.5累积量预警

对于某些监测指标，除了其绝对变化量之外，累计量也是衡量结构构件性能的重要指标。例如伸缩缝位移，其累计行程代表着伸缩缝磨损的程度，而磨损程度与伸缩缝的寿命直接关联。因此，建立监测指标累计量预警，能够有针对性的对部分结构构件进行预警。目前了解的应用场景仅为伸缩缝位移，且针对大桥、特大桥比较有效。

其存在的问题，在于监测时宜选择合适的采样频率，已有的工程实践推荐为1Hz，针对不同场景仍有待检验。

4 结论

本文主要对桥梁自动化监测阈值设定的方法从现阶段常用阈值确定方法和未来发展方向两方面进行了阐述。阐明了现阶段桥梁监测中阈值设定方法的优缺点及适用范围和存在的弊端，提出了未来桥梁监测阈值设定方法的发展和方向，同样对未来设定桥梁监测阈值方法的优缺点进行了阐明，鉴于本文提出的方法没有实际项目予以验证，故阈值未来设定的方法还需进一步研究，以确保得到的阈值真实准确。

参考文献

[1]焦美菊，孙利民，李清富.基于检测数据的桥梁结构可靠性评估[J].《同济大学学报（自然科学版）》2011.10

[2]李雪莲.温度与斜拉桥跨中挠度的相关性分析[J].城市道桥与防洪.2013.12.12