一种基于应变监测数据的桥梁状态评估方法研究

王越、朱晨辉、马乃轩、邵珠峰、武略

（1.山东高速工程检测有限公司，山东 济南 250000；2.桥梁结构大数据与性能诊治提升交通运输行业重点实验室，山东济南 250000）

0 引言

桥梁健康监测是采用传感器和数据采集系统，可实时、连续、科学地监测和分析桥梁的运行状态、病害情况和安全性能等及时预警和评估桥梁健康状况，便于及早排除潜在风险的有效技术手段。桥梁健康监测结果可为桥梁养护工作提供决策支持，有助于及时修复、预防病害，提高桥梁的安全性、可靠性，以及养护施工的经济性。

目前，随着城市化进程的加快和交通运输业的快速发展，桥梁健康监测技术已得到广泛推广和应用，特别是在大跨度、高速公路等重要桥梁的监测方面，成为关键技术之一。

结构应变作为桥梁健康监测与桥梁安全评估的重要参数之一，监测人员可以通过应变监测了解桥梁结构的实际应力分布情况，对桥梁结构进行健康状况评估与安全预警，从而及时制订合理的维护计划和决策，预防潜在问题，确保桥梁安全运行[1]。

在桥梁健康监测中，通常通过预先设置监测系统固定阈值的方式进行桥梁安全预警及状态评估，但由于温度因素会影响结构各部位的应变变化，使得无法通过应变固定阈值方式实现有效预警与评估[1]。为解决此类问题，文章以济南黄河三桥南侧堤外引桥右幅桥73#、74#跨为研究对象，通过对应变监测数据的分析，验证监测数据的准确性和有效性，并基于此提出一种基于应变监测数据的桥梁状态评估方法与思路。

1 工程概况

济南黄河三桥位于山东省济南市北部，是国道主干线青岛—银川公路（与济南北绕城高速公路重叠区段）跨越黄河的一座特大桥，也是京沪高速公路复线（山东段）的关键工程之一。全桥4473.04m，包括北侧堤外引桥、北侧跨大堤桥、北侧河滩引桥、主桥、南侧河滩引桥、南侧跨大堤桥、南侧堤外引桥共13 座桥梁。

大桥于2008 年12 月26 日正式通车运营。南侧堤外引桥分左、右幅，右幅桥上部结构为6×45m+6×45m+8×30m+8×30m+9×30m 的等高连续梁，主梁采用横、纵两向预应力箱梁，跨径30m 箱梁内部横向布设2 个箱室，跨径45m 箱梁内部横向布设1 个箱室，盆式橡胶支座。桥面布置为双向八车道，桥梁宽度为40.50m。

在2013 年的定期检测中发现，济南黄河三桥南侧堤外引桥右幅桥包含第2 联R-73#孔（8×30m）在内的部分预应力混凝土箱梁梁体出现底板横向裂缝、腹板竖向裂缝；经跟踪观测，于2018 年对73#、74#跨采取体外预应力加固、桥面板底面粘贴玄武岩不锈钢网格、预应力未压浆管道补压浆、底板和腹板外表面病害修补及整体涂装的方式进行了维修加固；在2020 年定期检测中，R-73#跨（8×30m）新增梁底板横向裂缝与腹板竖向裂缝。

桥梁定期检测相隔周期较长，时效性较低，为实时掌握桥梁结构安全状况，2022 年在济南黄河三桥南侧堤外引桥右幅桥73#、74#跨建立健康监测系统，针对桥梁结构应变、挠度、振动等关键指标进行实时监测。其中应变监测点位于两跨跨中截面箱梁两侧腹板，位置如图1 所示。

图1 济南黄河三桥南侧堤外引桥右幅桥应变监测测点示意图（单位：cm）

2 数据分析

2.1 数据处理方法

由于桥梁在真实服役环境中，受多种荷载效应与环境作用，直接获得的长期应变监测数据表现为一种混合交通荷载、日温变化以及测量噪声等因素的非平稳信号，无法直接用于评估[2-3]。同时，除了最主要的导致实测应变无法反映交通荷载作用的温度效应，桥梁结构在移动车辆作用下所引起的结构应变又包含长周期的静态响应与短周期的动态响应[4-5]。为了获取桥梁结构应变在交通荷载下的真实响应，需利用基于小波变换的多分辨率分析方法将多组分的原始数据进行单组分分解，从而获取目标组分。

常用的离散小波变换过程如公式（1）所示：

式（1）中：Wf(j,k)为小波变换过程，ψj,k(t)为小波基函数，j为尺度参数，k为平移参数，f(t)为输入函数，重构公式如公式（2）所示：

式（2）中：以具有高频信号特征的细节分量Dj、具有低频信号特征的细节分量Aj，可将公式（2）表达为公式（3）：

2.2 数据采样与处理

选取响应较为明显的两跨外侧腹板底部应变测点数据进行分析，为了尽可能多地获得单车经过时桥梁应变的响应数据，并确保数据样本具有普遍性，选取10 月27 日—10 月31 日凌晨3:00—5:00 共 计10 小时的应变数据进行响应提取。经统计，单个车辆引起的响应时间约为3～4s，该时段内温度变化所导致的应变数据偏离基本可以忽略不计。通过原始数据发现车辆荷载在两监测跨引起的应变响应峰值发生时间差在1～2s 内。

此时的原始数据包含车辆作用下桥梁主梁构件产生的弯曲应变，即静态响应，以及在车辆行驶过程中，由于路面不平整等因素导致车辆引起的随机振动，即动态响应[6]，需利用小波多分辨率分解消除动态响应。该研究中选取的小波种类为db 小波（全称Daubechies 小波，90 年代初由法国学者Daubechies 提出）。该小波族分解系数可以精确重构并降低分解信号时的能量散失，具有较好的滤噪能力[7]。利用db 小波对单个车辆引起的原始应变响应数据进行5 阶小波分解的结果如图2 所示。其中第5 层的近似A5 分量即为所需的应变静态响应。

图2 小波多分辨率分解结果

图3 73#跨、74#跨交通荷载作用下应力幅值比分布图

2.3 处理结果

在获得73#、74#跨在交通车辆荷载作用下结构应变的响应数据集后，为最大限度地消除复数车辆对数据的影响，仅保留前后12s 内无其他响应的单峰数据。10 月27 日—10 月31 日共计104 组的统计结果如表1所示。

表1 10 月27 日—10 月31 日交通荷载作用下应力幅值比统计表

由表1 可知，排除额外影响因素后，单独受车辆荷载作用时，济南黄河三桥南侧堤外引桥右幅桥73#跨、74#跨结构响应应力幅值比在1.7～2.1 之间，响应差异较为明显；将全部73#跨、74#跨应力幅值比数据作直方图并拟合分布曲线（见图4），在104 组数据中，73#跨、74#跨应力幅值比在2 附近接近正态分布。

2.4 数据对比与分析

由于缺少桥梁初建监测数据，采用Midas Civil 有限元计算软件建立济南黄河三桥南侧堤外引桥右幅桥8×30m 梁桥有限元模型进行理论值计算。在单车道移动荷载工况作用下，主梁应力计算结果如表2所示：

表2 有限元模型主梁应力计算结果

通过与理论值对比，在交通荷载作用下，南黄河三桥南侧堤外引桥右幅桥73#、74#跨实测结构应变响应与理论值存在明显差异。实测车辆荷载作用下两跨应力幅值比在2 左右呈现正态分布，与理论值计算值1.17 存在较大差异。说明南黄河三桥南侧堤外引桥右幅桥73#跨在交通荷载作用下结构响应存在异常，可能存在影响桥梁技术状况的病害，与定期检测结果相吻合。

上述分析表明，应变监测数据能够准确、及时地反映桥梁结构的真实状态。目前南黄河三桥南侧堤外引桥右幅桥73#、74#跨实测结构应变在车辆荷载作用下的响应幅值比在2 左右，可作为后续监测控制指标进行桥梁状态评估，说明基于应变监测数据进行桥梁状态评估具有可行性。

3 结论

文章利用小波多分辨率方法对济南黄河三桥南侧堤外引桥右幅桥73#、74#跨在交通荷载作用下的应变监测数据进行分析，通过数据处理得到桥梁结构的静态响应，并通过数据分析得出如下结论：

第一，通过数据分析发现济南黄河三桥南侧堤外引桥右幅桥8×30m 联73#、74#跨在交通荷载作用下结构应力响应存在明显差异，73#跨应力幅值较大，两跨应力幅值比在2 附近基本呈正态分布，大于理论计算值比1.17，反映出大桥73#跨可能存在影响桥梁结构技术状况的病害，与定期检测结果相吻合。

第二，得到济南黄河三桥南侧堤外引桥右幅桥8×30m 联73#、74#跨在交通荷载作用下结构应力幅值比，后续可作为监测控制指标进行桥梁状态评估。

第三，利用小波多分辨率分析方法进行基于应变监测数据进行桥梁状态评估是可行的，得到的结果可以真实反映桥梁状况。