基于3A指标的斜拉桥上部结构状态评估

2022-02-24秦劲东方圣恩1b张玮黄学漾郭新宇

土木与环境工程学报 2022年3期

秦劲东，方圣恩,1b，张玮，黄学漾，郭新宇

(1.福州大学 a.土木工程学院；b.土木工程防震减灾信息化国家地方联合工程研究中心，福州 350108；2.福建省建筑科学研究院有限公司，福州 350108)

大跨度桥梁通常承受荷载大、服役年限长、重要性程度高，对安全性和耐久性都有很高的要求。桥梁在运营阶段可能会受到环境、交通和人为等因素的影响而产生损伤，造成其破坏甚至坍塌，引发灾难性事故[1]。近年来，中国多地发生桥梁事故，造成了巨大的生命财产损失。因此，通过技术手段对桥梁的工作状态和健康状况做出诊断、识别和预测，并对其安全性和耐久性进行评估，具有十分重要的意义。早期的桥梁评估主要是基于人工检测方法，其检测结果受人为因素影响较大，且不适用于复杂大跨桥梁结构。所以，为更好地了解桥梁运营状况，可通过安装健康监测系统以实时获取环境信息和结构响应信息，并对桥梁健康状态做出评估[2-4]。

很多学者在桥梁评估方面开展了大量研究工作，主要用到可靠度理论[5-6]、层次分析法[7-9]、神经网络[10]、模糊理论[11-12]和有限元分析[13]等方法。但上述方法通常操作复杂、主观性强，且不能充分利用桥梁监测数据，因此，需要挖掘监测数据的潜力，实现对桥梁状态的准确评估。有学者提出将五度指标[14]用于评估桥梁状态，该指标借鉴证券技术分析方法中的K线技术指标，从安全度、承载度、异常度、振荡度和动向度5个方面对监测数据进行分析，并对桥梁的状态变化趋势做出预测[14]。

笔者针对某斜拉桥14 d的监测数据，首先利用五度指标[14]对斜拉桥的主梁、桥塔和斜拉索进行状态评价；然后提出一种综合评估指标，判断上部结构状态；最后针对目前桥梁评估方法中计算复杂等问题，提出一组新的指标：3A指标，包括Amplitude offset(幅值偏移量)、Abnormal degree(异常度)和Average value fluctuation(均值波动)，用于桥梁上部结构的分部评价和综合性评估，并将两种指标的评估结果进行对比，验证所提出指标的合理性。

1 工程概况

某斜拉桥全长453.0 m，跨径布置为50 m+60 m+ 110 m+110 m+60 m+50 m。桥面总宽29.5 m=2.5 m(人行道)+9.75 m(行车道)+5.0 m(分隔带)+9.75 m(行车道)+2.5 m(人行道)。主桥采用钢拱塔斜拉桥结构形式，主梁为预应力钢筋混凝土连续箱梁，主塔采用等腰梯形闭合截面钢箱拱结构。

因该桥结构形式特殊，为保障安全性，运营多年后安装了健康监测系统。根据大桥的结构特点，选择受力较不利截面和变形较大截面作为重点监测对象，包括主梁的跨中、1/4和3/4截面的振动加速度。其中，主梁振动采用加速度传感器测量，布置于每跨跨中截面以及3#跨和4#跨的1/4、3/4截面，即B、D、F、G、H、K、L、M、O、Q截面(图1)，共计10个加速度传感器。钢拱塔振动采用加速度传感器测量，布置于拱塔U、V、W截面，每个截面外侧各布置1个加速度传感器，如图2所示。斜拉索索力采用频率法测量，索力传感器附着于斜拉索表面，选取各索面最长、最短和中间长度的斜拉索作为监测对象，4索面共计12根，测点布置如图3所示。

图1 主梁监测截面(单位：m)

图2 桥塔监测位置(单位：m)

图3 索力传感器布置

2 监测数据统计值

采用14 d的监测数据对该斜拉桥上部结构的状态进行分析。采集主梁、桥塔和斜拉索的加速度实测数据，并进行滤波降噪等预处理，其中，主梁和桥塔采用加速度时程数据，而索力数据经模态参数识别后提取基频和倍频，参考《基于环境振动激励的桥梁拉索索力测试方法》(DB31/T 973—2016)[15]，由式(1)计算索力值。最后，对主梁、桥塔和斜拉索的数据进行统计运算，得到表1～表3。

表1 桥塔顶端振动加速度

表2 4#跨跨中振动加速度

表3 上游侧5#斜拉索索力数据

(1)

式中：T为索力，N；m为单位长度拉索质量；L为拉索的计算长度，m；fn为第n阶振动频率；n为拉索自振频率的阶数；E为拉索钢丝弹性模量；I为拉索截面抗弯惯矩，m4。

3 基于五度指标的斜拉桥上部结构状况评估

参考《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21—2011)[16]，结合五度指标[14]分析斜拉桥的监测响应数据，对上部结构中的主梁、桥塔和斜拉索进行状态评估。

3.1 安全度

利用实测监测参数的最大值和最小值与设计计算值进行比较，用于判别当前监测结构的设计使用程度。规定安全度指标不应大于100%。

(2)

式中：V为监测参数实测值；h为监测参数设计允许的最大值；sfd为设计能力使用程度。

3.2 承载度

将本周期内监测参数HLA线图(包含监测参数最大值(High)、最小值(Low)和平均值(Avg))的极值幅度与过去若干周期的HLA线图的极值幅度进行比较，判别当前周期内监测参数的极值变化程度，以此反映当前结构承载水平的增加或减少。默认的承载度预警阈值为连续几个周期内≥100。

(3)

式中：h为某周期内监测参数HLA线图的最大值；hv(h,n)为最近n周期内监测参数HLA线图的最大值；lv(h,n)为最近n周期内监测参数HLA线图的最大值的最小值。

3.3 异常度

将本日内监测参数的平均值与最近n天的移动平均值比较，判别当前监测结构参数的波动偏离程度。规定异常度指标不超过0.15。

(4)

式中：avg为某天监测参数的平均值；ma(avg,n)为最近n天各天监测参数平均值的移动平均值；ma(h,n)为最近n天各天监测参数线最大值的移动平均值；ma(l,n)为最近n天各天监测参数线最小值的移动平均值；

3.4 振荡度

计算出每个周期极值振荡上下值，然后计算出不同周期的累积振荡，再经过统计加权平滑处理得到振荡度指标。通常情况下，振荡度指标在20～80之间，代表监测对象平稳；大于80或小于20，需设置预警信号。

(5)

式中：i为计算某周期测值数据振荡上下值时该周期的编号；thi为某周期测值相对于前一周期测值的向上值；tli为某周期测值相对于前一周期测值的向下值。

(6)

式中：i为计算第i个周期的累积振荡时当天的编号；k为循环变量；ACC1为最近n1周期内测值的累积振荡；ACC2为最近n2周期内测值的累积振荡；ACC3为最近n3周期内测值的累积振荡。

(7)

3.5 动向度

根据多个周期中的均值进行比较，寻求在此期间内监测参数的上升动向与下降动向，以透视出该测量值的变化方向、强弱和趋势。长期来看，动向度指标应在25～75之间，大于75或小于25时可以设置预警。

(8)

式中：j为分析特定周期(第n周期)之前n1个周期到该周期内从前往后各周期的编号。

当avgj>avgj-1时，adej=0；当avgj

(9)

式中：l为循环变量；sainn为第n周期之前n1个周期到该周期内的累积升幅；saden为第n周期之前n1个周期到该周期内的累积降幅。

(10)

3.6 分部评估结果

根据结构对称性，选取4#、5#和6#跨跨中、桥塔以及4#跨上游侧的斜拉索，采用五度指标进行评估，得到表4～表6。由评估结果可知：6#拉索的振荡度指标为82.65，不满足指标要求，而其他部件均满足五度指标要求。

表4 主梁评估结果

表5 桥塔评估结果

续表5

表6 斜拉索评估结果

3.7 上部结构整体评估

3.7.1 评估规则为评估斜拉桥上部结构的整体状态，结合五度指标[14]提出了一个综合评估指标，将主梁、桥塔和斜拉索视为一个体系。

上部结构评估过程中的一些因素，例如部件的种类、指标的使用方法等，都会影响最终评估结果。通过引入权重系数，将各类部件结合在一起，可以实现对上部结构的综合性评价。各部件的权重系数取值取决于其功能和重要程度，例如，斜拉索用于连接主梁和桥塔，其健康状况直接影响桥梁上部结构的安全，所以，其重要性高于主梁和桥塔。

在斜拉桥的所有拉索中，端锚索的长度最大，其承受索力较大。当端锚索发生破坏导致张力下降时，旁边拉索数量较少，不能很好地分担索力，这对上部结构的整体受力不利，所以，索力数据取端锚索(6#索)的索力数据。由于所取斜拉索锚固于桥塔的南侧，故桥塔振动加速度数据取塔顶和塔身一半南侧位置的数据。主梁振动加速度数据取最不利点，即4#跨跨中位置。

使用五度指标[14]对主梁、桥塔和斜拉索进行评估时，五个指标的重要程度不同。根据各指标的重要程度，赋予各指标不同的分值，各类指标及相应分值见表7。五度指标[14]中，由于安全度是反映使用程度的指标，如果监测响应不满足安全度指标，意味着其超过了设计允许值，部件可能会损坏，所以规定部件若不满足安全度指标，直接判断部件的状态发生了恶化，需要进行进一步检查和维修加固。

表7 综合评估下五度指标分值

3.7.2 综合评估步骤评估步骤：

1)采集加速度数据并进行预处理，获取桥塔和主梁的加速度值，并换算斜拉索的索力值。

2)使用五度指标[14]分别对斜拉桥上部结构的各类部件进行评价，得到表8。将主梁、桥塔和拉索的得分设为Pi(i=1,2,3)，满分为100分。若不满足某类指标，则减去相应的分数。当某类部件得分低于60分或不满足安全度指标时，直接判定上部结构体系安全性不足，不再进入下一步。

表8 上部结构分部评估结果

3)设置主梁、桥塔和拉索的权重系数为ωi(i=1,2,3)，将三者得分乘以权重系数后再相加，以此计算上部结构的综合得分TS。

TS=P1×ω1+P2×ω2+P3×ω3

(11)

4)根据综合得分判断上部结构的状态，得分与相应的评估状态见表9。

表9 斜拉桥上部结构状态划分

3.7.3 综合评估结果为研究权重系数取值对评估结果的影响，将主梁、桥塔和斜拉索的权重系数设置为3组不同的比值，分别为0.3∶0.3∶0.4、0.25∶0.25∶0.5和0.2∶0.2∶0.6，经计算，综合评估指标分别为94、92.5、91分。

可见，采用上述权重系数进行评估，均得出该桥上部结构在监测的时间内没有发生恶化的结论。取第2组权重系数进行评估。

4 基于3A指标的斜拉桥上部结构状况评估

针对目前大跨度桥梁评估方法计算复杂、不便于工程现场人员理解和应用、海量数据下处理实时性不佳等问题，提出公式更简单、更便于现场快速计算的3A指标，包括Amplitude offset(幅值偏移量)、Abnormal degree(异常度)和Average value fluctuation(均值波动)，以3种指标的英文首字母命名。3A指标公式简单、计算方便，方便工程人员理解和应用，可用于对大跨度桥梁上部结构各部件的当前状态进行快速判断。

3A指标与五度指标[14]不同之处在于：主梁和桥塔的加速度数据均取绝对值，使评估中的计算过程得到简化。使用3A指标评估斜拉桥上部结构的状态，并将其与五度指标[14]的评估结果进行对比，从而提供一种评估大跨度桥梁上部结构状态的新方法。

4.1 Amplitude offset(幅值偏移量)

对主梁和桥塔的振动加速度数据，可以规定其超限阈值，用于判断部件的状态。基于数据中的最大值反映部件最不利状态的特性，提出幅值偏移量指标，用来分析相应部件最大加速度的变化情况。若部件的最大加速度变化过大，就有超过规定阈值的可能，预示部件可能发生损伤。

斜拉索在上部结构中是最重要的部件，而现实中索力是始终变化的。若拉索承受的索力过大，可能导致拉索的损坏。

幅值偏移量计算式为

(12)

式中：h为某个周期监测响应数据的最大值；max(h,n)为n个周期监测响应数据的最大值；mean(h,n)为n个周期监测响应数据最大值的平均值。

根据各部件重要性程度，规定主梁和桥塔的振动加速度的幅值偏移量不应超过25%，索力不应超过10%。

4.2 Abnormal degree(异常度)

变异系数是概率分布离散程度的一个归一化量度，定义为标准差与平均值之比。一般在比较两组数据的离散程度时，由于测量尺度或量纲不同，直接使用标准差不合适，故采用变异系数来消除影响。

斜拉桥每日的监测数据不断变化，为更好地研究数据的离散程度，提出异常度指标来判断监测数据的异常程度，进而掌握斜拉桥的运营状况。

(13)

式中：S为每日监测响应数据的标准差；mean为每日监测响应数据的平均值。

由于监测数据受传感器自身因素和外部激励的影响较复杂，并考虑各部件的重要性，规定主梁和桥塔的异常度应小于2.5，索力异常度应小于0.1。

4.3 Average value fluctuation(均值波动)

数据均值能反映大跨度桥梁在一段时间内的基本状态，为此提出均值波动指标，通过均值的波动情况来判断桥梁部件的状态变化。

(14)

式中：a为某个周期内监测响应数据的均值；max(a,n)为n个周期内监测响应数据均值的最大值；min(a,n)为n个周期内监测响应数据均值的最小值；mean(a,n)为n个周期内监测响应数据均值的平均值。

规定主梁和桥塔的加速度数据Avf1不应大于35%，为保持部件的状况稳定，最大值和最小值不应相差过大，即Avf1和Avf2之和不应大于55%。

索力Avf1应小于10%，Avf1和Avf2之和不应大于15%。

4.4 基于3A指标的斜拉桥上部结构整体评估

4.4.1 综合性评估在3A指标中，均值波动指标更能反映桥梁在一段时间内的普遍状态，因此，规定幅值偏移量、异常度和均值波动指标的分值分别为25、25、50分。

类似五度指标[14]的综合评估方法，基于3A指标的综合性评估方法步骤：

1)采集加速度数据并进行预处理，获取桥塔和主梁的加速度绝对值以及拉索索力值。

2)使用3A指标分别对大跨度桥梁上部结构的各类部件进行评价，列于表10。将主梁、桥塔和拉索的得分设为Pi(i=1,2,3)，满分为100分。若不满足某类指标，则减去相应的分数。当部件得分低于50分时，直接判定上部结构体系安全性不足，不再进入下一步。

表10 评估结果

3)设置主梁、桥塔和拉索的权重系数为ωi(i=1,2,3)，将三者得分乘以权重系数后再相加，以此计算上部结构的综合得分TS。

4)根据综合得分判断上部结构的状态，得分与相应的评估状态见表9。

4.4.2 评估结果对上部结构进行评估时，将主梁、桥塔和斜拉索的权重系数设置为0.25∶0.25∶0.5，综合安全评估指标得分

TS=75×0.25+100×0.25+100×0.5=93.75分

可见，斜拉桥的上部结构处于健康状态，在所监测的时间内其状态没有发生恶化。

4.5 评估分析比较

基于五度指标[14]和3A指标的综合性状态评估方法，均判断斜拉桥的上部结构处于稳定状态，在研究的14 d时间内，上部结构的状态没有发生恶化。不同之处在于：五度指标[14]评估中，斜拉索的振荡度指标不满足要求；但是在3A指标的评估中，主梁的幅值偏移量指标不满足要求，这意味着两种指标的侧重点有所不同。

通过分析可得，3A指标对主梁的要求高于斜拉索，而五度指标[14]对斜拉索的要求更高。斜拉桥在运营阶段会由于各种因素引起结构损伤，进一步导致索力下降，通常可对其进行更换来保证桥梁安全。而主梁作为永久部件，发生损伤时不可轻易更换，其重要性会随时间而增加。因此，当所评估桥梁运营时间较长时，更适合使用3A指标进行评估。