莊志凱 陳 勇 張 偉 謝 琪

（1 中國(guó)電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是近年來土木行業(yè)新起的新型業(yè)務(wù)領(lǐng)域，其主要技術(shù)手段為采用監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)特定的參數(shù)進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)判，最終達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)評(píng)判的目的。橋梁結(jié)構(gòu)作為道路工程中的特殊結(jié)構(gòu)物，相對(duì)民用建筑最大的區(qū)別是需承擔(dān)繁重移動(dòng)荷載，因此，橋梁結(jié)構(gòu)的的安全變顯得尤為重要和迫切。

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)工作包括前期的系統(tǒng)搭建和后期系統(tǒng)的維護(hù)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評(píng)估，其中，結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評(píng)估是系統(tǒng)建設(shè)的核心工作，。本文將根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，介紹一種橋梁結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)分析及評(píng)估的方法。

1 基于健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)橋梁狀況評(píng)定的流程及方法

1.1 評(píng)定功能框架及流程

基于橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)評(píng)估分為在線評(píng)估子模塊和離線評(píng)估子模塊。在線評(píng)估采用基于層次分析的變權(quán)綜合法進(jìn)行橋梁技術(shù)狀況綜合評(píng)估，離線評(píng)估主要包含承載力評(píng)估、疲勞評(píng)估和其它專項(xiàng)評(píng)估。根據(jù)劃分的工作內(nèi)容，整理結(jié)構(gòu)評(píng)估工作流程如圖2-1所示。

1.2 橋梁技術(shù)狀況評(píng)定的方法——層次評(píng)估法

1.2.1 層次評(píng)估法基本原理

對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行狀態(tài)的評(píng)估有多種方法，其理論基礎(chǔ)主要有專家系統(tǒng)、可靠度理論、模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。采用結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估需要采用一種合理、普適的評(píng)估方法，層次分析法是結(jié)構(gòu)評(píng)估中經(jīng)常采用的一種方法。其主要的特點(diǎn)是能夠降低和驗(yàn)證主觀因素對(duì)評(píng)判的影響，同時(shí)對(duì)定性因素進(jìn)行量化。在采用橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估的系統(tǒng)中，層次分析法的應(yīng)用主要是用來確定各評(píng)定指標(biāo)的基本權(quán)重。采用層次分析法的結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評(píng)估方法應(yīng)根據(jù)所獲取的各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)需兼顧結(jié)構(gòu)的整體特征，同時(shí)包含局部的參數(shù)狀況。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)規(guī)模的大小及結(jié)構(gòu)的特征，各類橋型均可采用AHP 進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，該方法也是目前在橋梁檢測(cè)規(guī)范中使用的方法。其基本評(píng)估流程見下圖所示。涉及到橋梁安全等級(jí)的確定、層次的劃分、權(quán)重的確定、底層指標(biāo)的無量綱化和振動(dòng)評(píng)估。

圖2-2 基于層次分析的橋梁健康狀態(tài)綜合評(píng)估流程

1.2.2 安全等級(jí)的評(píng)定

安全等級(jí)的確定按照如下的論域進(jìn)行評(píng)定：

表2-1 橋梁綜合評(píng)定等級(jí)的論域

1.2.3 層次劃分

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的特征，采用層次分析法分析時(shí)將分析層次分為：目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、大指標(biāo)層和小指標(biāo)層。其中，目標(biāo)層為全橋狀態(tài)的評(píng)估，準(zhǔn)則層為各區(qū)段狀態(tài)的評(píng)估，大指標(biāo)層是各區(qū)段各類評(píng)估指標(biāo)，小指標(biāo)層為具體的參數(shù)評(píng)價(jià)。一般，選取主要的受力構(gòu)件作為準(zhǔn)則層；各監(jiān)測(cè)構(gòu)件的各項(xiàng)指標(biāo)，如安全性、耐久性、冗余度等，小指標(biāo)層可劃分為兩層；①量化的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)序列或監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；②結(jié)構(gòu)狀態(tài)描述劃分的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可參考養(yǎng)護(hù)規(guī)范。

1.2.4 權(quán)重系數(shù)的確定

采用以上技術(shù)路線的關(guān)鍵是確定指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)以及確定底層指標(biāo)的評(píng)估思路、評(píng)估準(zhǔn)則等。本系統(tǒng)將采用層次分析法對(duì)本橋進(jìn)行技術(shù)狀況評(píng)定，相關(guān)權(quán)重系數(shù)主要是考慮城市及公路橋梁養(yǎng)護(hù)規(guī)范中的橋梁部件權(quán)重系數(shù)和綜合評(píng)估方法，并在此基礎(chǔ)之上，結(jié)合該橋梁的檢測(cè)施工資料，分析該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、實(shí)際技術(shù)狀況和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)情況，提出適合于該橋的技術(shù)狀況評(píng)估指標(biāo)、評(píng)估項(xiàng)以及評(píng)定計(jì)算方法。

歷次橋梁定期測(cè)評(píng)定主要是根據(jù)當(dāng)前橋梁技術(shù)狀況按照現(xiàn)行規(guī)范對(duì)橋梁技術(shù)狀況進(jìn)行評(píng)定分析。因此，本技術(shù)評(píng)估系統(tǒng)要是在該評(píng)分技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上進(jìn)行提升和改造，主要是將重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位評(píng)分項(xiàng)的評(píng)定值用長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的實(shí)測(cè)值替換，權(quán)重系數(shù)采用本橋?qū)嶋H情況確定出來的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行替換，其余部分的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)假定不變，則評(píng)估系統(tǒng)會(huì)隨著實(shí)測(cè)值的變化而給出橋梁技術(shù)狀況隨時(shí)間變化情況，這樣得到的評(píng)估結(jié)果比定期檢查的評(píng)定結(jié)果更加理性和可靠，同時(shí)還可以得到結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況隨時(shí)間變化的趨勢(shì)情況。若對(duì)橋梁進(jìn)行了一次定期檢查等之后，系統(tǒng)將會(huì)更新相應(yīng)部分的權(quán)重系數(shù)，實(shí)現(xiàn)評(píng)估系統(tǒng)不斷自我完善，根據(jù)符合橋梁實(shí)際情況的評(píng)估系統(tǒng)。利用不確定型層次分析法、群判斷、集值統(tǒng)計(jì)原理等方法建立橋梁指標(biāo)權(quán)重。

2 結(jié)構(gòu)的評(píng)估

2.1 在線評(píng)估

結(jié)構(gòu)的在線評(píng)估主要是結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行，其主要工作是建立結(jié)構(gòu)評(píng)估體系方法，并且獲得結(jié)構(gòu)評(píng)估結(jié)果，最終形成結(jié)構(gòu)評(píng)估報(bào)告。

在線評(píng)估體系：根據(jù)結(jié)構(gòu)的自生特點(diǎn)、綜合評(píng)估模型及專家評(píng)判的權(quán)重，設(shè)置在線評(píng)估體系分層結(jié)構(gòu)、構(gòu)件及相關(guān)參數(shù)。

在線評(píng)估結(jié)果：根據(jù)評(píng)估體系自動(dòng)算出相應(yīng)時(shí)間段的評(píng)估結(jié)果、構(gòu)件評(píng)級(jí)以及相關(guān)養(yǎng)護(hù)建議。

在線評(píng)估報(bào)告：根據(jù)系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果，并根據(jù)需評(píng)估的時(shí)間段，生成評(píng)估報(bào)告。

在線評(píng)估報(bào)告的主要內(nèi)容有：①橋梁基本信息、病害及評(píng)估記錄等；②突發(fā)事件描述；③結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估結(jié)果；④主要關(guān)鍵結(jié)論；⑤結(jié)構(gòu)管養(yǎng)建議。

2.2 離線評(píng)估

2.2.1 橋梁承載力的評(píng)定

（1）橋梁承載力評(píng)定基本方法

評(píng)定的方法主要有兩種，主要是基于結(jié)構(gòu)檢算和荷載試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的評(píng)估。

第一種方法：基于結(jié)構(gòu)檢算的承載能力評(píng)估。通過對(duì)結(jié)構(gòu)材質(zhì)、外觀的檢測(cè)結(jié)果，確定結(jié)構(gòu)承載能力惡化系數(shù)、結(jié)構(gòu)截面折減系數(shù)，從而對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)行相應(yīng)的折減，對(duì)比結(jié)構(gòu)初始承載能力設(shè)計(jì)值并進(jìn)行評(píng)定。這種方法又稱為直接評(píng)定法。

第二種方法是采用荷載試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)定，通過實(shí)際的荷載車輛加載，測(cè)定結(jié)構(gòu)的參數(shù)相應(yīng)，通過計(jì)算影響線和實(shí)測(cè)影響線的對(duì)比進(jìn)行綜合評(píng)定。通過直觀地定性判斷這兩者隨荷載位置的變化趨勢(shì)是否一致以及定量判斷主要控制截面的實(shí)測(cè)響線數(shù)值和計(jì)算影響線之間數(shù)值相對(duì)大小，確定出直接評(píng)定因子。

式中：λ——直接評(píng)定因子；——計(jì)算影響線；y(k)——實(shí)測(cè)影響線；k——表示控制截面編號(hào)。

對(duì)于任意控制截面k，均有λ(k)＜0.8，則結(jié)構(gòu)的承載力可以適當(dāng)?shù)奶岣?；若其中某一個(gè)或多個(gè)控制截面j，有λ(j)＞1.2，則結(jié)構(gòu)的抗力效應(yīng)不滿足承載力要求，某一個(gè)或多個(gè)控制截面j，有 0.8≤λ(j)≤1.2，直接評(píng)定不能做出評(píng)定結(jié)論，可以進(jìn)一步采用有限元模型修正評(píng)定法等方法進(jìn)行評(píng)定。其中評(píng)定值0.8 和1.2 以及安全系數(shù)具體取值可根據(jù)該橋的實(shí)際情況而定。

（2）橋梁承載力評(píng)定的準(zhǔn)則

結(jié)合橋梁現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范和承載力評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，如《公路橋梁承載力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/TJ21-2011）、《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2004），并結(jié)合上述4 種評(píng)估方法對(duì)橋梁承載力進(jìn)行評(píng)定。

結(jié)構(gòu)承載能力的評(píng)估是通過結(jié)構(gòu)的分析獲取結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)，在獲得結(jié)構(gòu)恒載能力狀態(tài)下，根據(jù)荷載組合得到相應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)，從而將恒載與荷載的計(jì)算結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)抗力對(duì)比進(jìn)行承載能力的評(píng)估。結(jié)構(gòu)狀態(tài)的描述可由下式表示：

式中，RD和RL分別表示恒載和活載效應(yīng)；Ra表示其他荷載效應(yīng)。由于RD和RL包含了評(píng)估時(shí)刻的溫度效應(yīng)，而該溫度效應(yīng)與設(shè)計(jì)中考慮的溫度效應(yīng)不一定相等，所以這里的中包括的溫度效應(yīng)是設(shè)計(jì)溫度效應(yīng)與評(píng)估時(shí)刻溫度效應(yīng)的差值；k表示應(yīng)力富裕度系數(shù)，根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)情況、荷載試驗(yàn)結(jié)果以及長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果而定；C 表示結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)?？梢愿鶕?jù)當(dāng)前狀態(tài)下應(yīng)力富裕度系數(shù)K 的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的評(píng)估。結(jié)構(gòu)的承載能力評(píng)估結(jié)果同樣分為四個(gè)等級(jí)，均直接對(duì)應(yīng)于管養(yǎng)的決策，具體如下表所示。

表3-1 結(jié)構(gòu)的承載能力評(píng)估分級(jí)

2.2.2 疲勞狀態(tài)的評(píng)估

考慮到橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中對(duì)各部件耐久性的評(píng)估在于結(jié)構(gòu)在所承受的設(shè)計(jì)活荷載作用下的疲勞狀態(tài)評(píng)估。

基于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的疲勞狀態(tài)評(píng)估的基本方法如下：

車輛荷載數(shù)值模擬流程

荷載模擬是通過動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)實(shí)測(cè)的車輛數(shù)據(jù)，分析統(tǒng)計(jì)規(guī)律，結(jié)合車輛荷載數(shù)值模擬和Monte-carlo 模擬方法，用計(jì)算機(jī)程序來模擬疲勞荷載譜。

疲勞監(jiān)測(cè)熱點(diǎn)區(qū)的獲?。?/p>

1）根據(jù)橋型特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)分析獲??；

2）根據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力時(shí)程分析獲取。

應(yīng)力時(shí)程的標(biāo)準(zhǔn)樣本的獲?。?/p>

1）根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲得結(jié)構(gòu)時(shí)程數(shù)據(jù)。

2）根據(jù)提取的時(shí)程數(shù)據(jù)，獲取結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的荷載-應(yīng)力譜，對(duì)比結(jié)構(gòu)仿真分析結(jié)果進(jìn)行修正。

3）對(duì)時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本分析，提取標(biāo)準(zhǔn)樣本。

2.2.3 專項(xiàng)評(píng)估

橋梁結(jié)構(gòu)專項(xiàng)評(píng)估，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體情況，針對(duì)特定專題項(xiàng)目進(jìn)行結(jié)構(gòu)評(píng)估，如大風(fēng)、地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等。專項(xiàng)評(píng)估采用人工離線評(píng)估，并撰寫評(píng)估報(bào)告上傳至評(píng)估報(bào)告管理系統(tǒng)。

2.2.4 離線評(píng)估報(bào)告

評(píng)估報(bào)告分為常規(guī)評(píng)估報(bào)告和專項(xiàng)評(píng)估報(bào)告，如下圖所示。常規(guī)評(píng)估報(bào)告是根據(jù)結(jié)構(gòu)管養(yǎng)需求定期進(jìn)行承載能力評(píng)估、疲勞狀態(tài)評(píng)估生成的評(píng)估報(bào)告；專項(xiàng)評(píng)估報(bào)告是指系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警和橋梁使用過程中發(fā)生特殊事件之后生成特殊事件（如大風(fēng)、地震）綜合評(píng)估報(bào)告。

3 總結(jié)

基于結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的技術(shù)狀況評(píng)定是當(dāng)下結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)研究的主要課題，也是當(dāng)下結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)發(fā)展中需不斷更新和迭代的主要工作，同時(shí)還應(yīng)推進(jìn)相關(guān)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)對(duì)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行論證，從而進(jìn)一步佐證結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的有效性。