戴泳琰

（江西省交運(yùn)運(yùn)輸科學(xué)研究院有限公司，江西南昌330200）

0 引言

公路橋梁結(jié)構(gòu)健康自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Structural Health Monitoring，簡稱 SHM)，與定期開展的人工橋檢活動(dòng)相比在很多功能方面有顯著優(yōu)勢(shì)：第一，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷并預(yù)警；第二，能夠量化結(jié)構(gòu)損傷程度，監(jiān)測(cè)結(jié)果可直觀反應(yīng)到系統(tǒng)平臺(tái)中；第三，平時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)今后橋梁結(jié)構(gòu)分析起到參考作用；第四，在監(jiān)測(cè)中不影響公路橋梁的正常使用；第五，節(jié)約成本減少不必要的浪費(fèi)。通過定期橋檢，對(duì)比結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以看出來實(shí)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)對(duì)于公路橋梁來說是非常必要的。

健康監(jiān)測(cè)最開始出現(xiàn)在航天和機(jī)械領(lǐng)域中，20世紀(jì)60年代，在航天和軍工領(lǐng)域進(jìn)行了無損診斷技術(shù)(NDT)的研究。70年代，土木工程領(lǐng)域的學(xué)者意識(shí)到對(duì)土木結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)和安全評(píng)估的重要性，最初在海洋石油鉆井平臺(tái)得到研究和應(yīng)用，開創(chuàng)了健康監(jiān)測(cè)在土木工程領(lǐng)域上應(yīng)用的先河。20世紀(jì)的80年代中期末，結(jié)構(gòu)健康信息監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)已開始逐步應(yīng)用于公路橋梁，目的也是以高速公路橋梁主體構(gòu)件為結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)，通過高速橋梁結(jié)構(gòu)狀況的全面實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)來收集公路橋梁中關(guān)鍵受力部分的實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，診斷監(jiān)測(cè)和跟蹤分析高速橋梁上的主要結(jié)構(gòu)信息，對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)可能由此發(fā)生的一些嚴(yán)重危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)事故進(jìn)行相對(duì)提前程度的預(yù)警，盡可能地降低危險(xiǎn)事故發(fā)生的概率，以免造成更多的損失，并提出針對(duì)性的橋梁管理維護(hù)建議。

1 研究綜述

美國學(xué)者Armin B.Mehrabi 等人就對(duì)斜拉橋進(jìn)行了一系列的安全監(jiān)測(cè)，從全球選擇25 座斜拉橋，并且進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)分析，評(píng)估斜拉橋結(jié)構(gòu)是否可靠，試圖對(duì)評(píng)估的方法進(jìn)行統(tǒng)一。日本山口大學(xué)教授Ayaho Miyamoto 提出了新的方法“狀態(tài)表示方法”，簡稱SRM，以及新的應(yīng)用手段，介紹基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)狀態(tài)非參數(shù)描述的一般理論，并給出將SRM 應(yīng)用于實(shí)際問題的方法。美國南達(dá)科他紐約州立大學(xué)教授Junwon Seo對(duì)世界橋梁的安全可靠性檢測(cè)方法的研發(fā)現(xiàn)狀問題做出了分析總結(jié)，提出了橋梁在安全性能監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)領(lǐng)域下的發(fā)展研究主要方向，橋梁損傷原因識(shí)別、結(jié)構(gòu)的剩余承載力監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)和建筑結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命評(píng)價(jià)。英國克蘭菲爾德大學(xué)教授G.Kister、D.Winter 等人研究了利用光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)道路和橋梁的結(jié)構(gòu)健康。通過開發(fā)結(jié)合方法和傳感器的適當(dāng)保護(hù)系統(tǒng)，使用布拉格光柵傳感器是可能的，光學(xué)傳感器已經(jīng)成功地應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)[1]。

我國在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方面研究起步相對(duì)落后，90年代才開始探索在大跨度橋梁上建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。目前名為香港大橋指的是青馬大橋、汲水門大橋和汀九門大橋，是迄今為止世界橋梁投資和規(guī)模、在建筑史上跨度最大的一套用于橋梁結(jié)構(gòu)健康和監(jiān)測(cè)研究的工程系統(tǒng)。其中文名稱是橋梁風(fēng)害系統(tǒng)和路橋工程結(jié)構(gòu)病害的健康與監(jiān)測(cè)研究系統(tǒng)(WindAnd 和橋梁Structural 的 Health 和 MonitorIng 的 System，WASHHMS)，主要監(jiān)測(cè)在地震和風(fēng)荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力性能，系統(tǒng)內(nèi)包含應(yīng)變計(jì)、風(fēng)力風(fēng)向計(jì)、溫濕度計(jì)、GPS 等各類傳感器近千個(gè)。在昂船洲大橋建成后，香港特區(qū)政府路政署在這座主跨達(dá)1014m 的斜拉橋上也建立了該系統(tǒng)。這又為開展我國新型公路橋梁結(jié)構(gòu)健康動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)應(yīng)用的理論研究探索開創(chuàng)了一條先河。北京建筑大學(xué)李愛群教授等學(xué)者以主跨1490m 的懸索橋、江蘇潤揚(yáng)長江大橋等為主要工程背景，建立完善了我國一套大型橋梁結(jié)構(gòu)安全健康在線監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、損傷預(yù)警的設(shè)置和安全評(píng)價(jià)的方法進(jìn)行了研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)歐進(jìn)萍教授團(tuán)隊(duì)等著名學(xué)者先后從安全理論高度上系統(tǒng)地對(duì)大橋安全在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)采用的關(guān)鍵監(jiān)測(cè)技術(shù)指標(biāo)、監(jiān)測(cè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的綜合使用技術(shù)等安全各方面技術(shù)進(jìn)行了全面研究，設(shè)計(jì)了一種基于傳感器獲取監(jiān)測(cè)評(píng)估數(shù)據(jù)支持的現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)的識(shí)別、損傷的定位系統(tǒng)及橋梁安全的評(píng)價(jià)技術(shù)方法，并多次結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際與工程實(shí)際研究報(bào)告了一些其技術(shù)應(yīng)用情況。

進(jìn)入21世紀(jì)后，我國對(duì)于公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用相繼出現(xiàn)。目前在我國各地安裝了公路橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置的高速公路有上海徐浦大橋隧道、江蘇江陰長江大橋高速公路、江蘇蘇通長江大橋、廣州虎門大橋高速公路以及南京隧道長江高速公路大橋等。

公路橋梁工程具有受力結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外部使用環(huán)境較為惡劣、服役期相對(duì)長等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而導(dǎo)致公路橋梁系統(tǒng)在施工運(yùn)營養(yǎng)護(hù)期間有一定概率會(huì)出現(xiàn)橋梁某些部分結(jié)構(gòu)的損傷變形問題。從橋梁工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中看，橋梁結(jié)構(gòu)損傷分為各種突發(fā)性結(jié)構(gòu)損傷和局部累積性損傷。其中，突發(fā)性結(jié)構(gòu)損壞往往是指由于機(jī)動(dòng)車嚴(yán)重超載、船舶嚴(yán)重碰撞傾覆等突發(fā)事件造成，產(chǎn)生房屋坍塌、斷裂損壞等嚴(yán)重交通安全破壞事故。橋梁健康安全監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)中實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)能夠有效獲取關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)，在面臨突發(fā)危險(xiǎn)事故產(chǎn)生前進(jìn)行科學(xué)有效的安全預(yù)警，并適時(shí)地向當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)責(zé)任部門逐級(jí)報(bào)告緊急事件情況，降低損失。并且，對(duì)于已經(jīng)累積造成的工程結(jié)構(gòu)重大損傷，橋梁結(jié)構(gòu)安全健康風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的有效事故預(yù)警信息可以幫助工程后續(xù)的設(shè)施檢測(cè)加固、維修養(yǎng)護(hù)和加固養(yǎng)護(hù)評(píng)估等工作決策，提供經(jīng)濟(jì)價(jià)值性參考。

“預(yù)警”一詞最早應(yīng)用在軍工領(lǐng)域，此后在經(jīng)濟(jì)、安全、工程等領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用。隨著網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模數(shù)據(jù)智能挖掘應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的智能預(yù)警系統(tǒng)方法應(yīng)用的相關(guān)研究也得到了深入的發(fā)展。在一些實(shí)際防災(zāi)工程和應(yīng)用項(xiàng)目中，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程需要而選擇科學(xué)合理先進(jìn)的應(yīng)急預(yù)警檢測(cè)方法，以提升預(yù)測(cè)效果降低人工成本，達(dá)到災(zāi)害最佳應(yīng)急效果。

目前，我國橋梁結(jié)構(gòu)健康預(yù)警系統(tǒng)的研究大多是理論性的，通常是基于對(duì)橋梁運(yùn)營現(xiàn)狀的分析，然后建立預(yù)警指標(biāo)體系，建立橋梁結(jié)構(gòu)的有限元模型，最后根據(jù)預(yù)先設(shè)定的預(yù)警程序發(fā)布相關(guān)預(yù)警信息。在橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)警中，合理的預(yù)警閾值設(shè)置和快速高效的預(yù)警系統(tǒng)的建立是預(yù)警技術(shù)的重要因素，國內(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域也開展了相關(guān)研究。孫雅瓊提出分離高頻和低頻采樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的溫度效應(yīng)，剩余的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)響應(yīng)能體現(xiàn)在活荷載作用下的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)，可以用于活荷載的識(shí)別和橋形分析；通過橋梁結(jié)構(gòu)的受力情況結(jié)合有限元模型計(jì)算結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)設(shè)置了預(yù)警閾值，并制定了預(yù)警流程。專家通過重新建立了有限元模型，運(yùn)用三階目標(biāo)響應(yīng)面法并計(jì)算修正出二階目標(biāo)響應(yīng)面函數(shù)，同時(shí)又利用了fmincon 函數(shù)對(duì)其進(jìn)行了一些優(yōu)化和處理之后，得到修正出的數(shù)值結(jié)果，并且采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法來計(jì)算剝離點(diǎn)溫度系數(shù)及溫度應(yīng)變，通過擬合測(cè)厚點(diǎn)的實(shí)際溫度與應(yīng)變關(guān)系得到給出了實(shí)際溫度系數(shù)和實(shí)際應(yīng)變的系數(shù)與實(shí)際被試測(cè)薄點(diǎn)之間的實(shí)際溫度系數(shù)間的線性關(guān)系。根據(jù)這個(gè)擬合線性關(guān)系，用可預(yù)測(cè)的真實(shí)溫度值或真實(shí)應(yīng)變的數(shù)值來代替實(shí)際統(tǒng)計(jì)值的加權(quán)平均值來確定作為動(dòng)態(tài)預(yù)警溫度閾值依據(jù)的溫度計(jì)算的參數(shù)，得到實(shí)際溫度及應(yīng)變溫度的動(dòng)態(tài)預(yù)警閾值。我國已經(jīng)建立研發(fā)出了橋梁結(jié)構(gòu)的安全健康風(fēng)險(xiǎn)黃色系統(tǒng)和紅色系統(tǒng)兩種預(yù)警和監(jiān)測(cè)閾值系統(tǒng)。黃色的系統(tǒng)預(yù)警及監(jiān)測(cè)的閾值主要選取了基于橋梁結(jié)構(gòu)安全健康風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警監(jiān)測(cè)閾值系統(tǒng)中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，紅色系統(tǒng)的預(yù)警與檢測(cè)的閾值將被系統(tǒng)選擇為基于經(jīng)修正和計(jì)算驗(yàn)證后建立的有限元模型中給出的最短的不利荷載響應(yīng)值。根據(jù)橋梁基準(zhǔn)有限元模型，模擬主跨橋的主跨中的損傷，分析了橋梁損傷的預(yù)警指標(biāo)DSF 和橋梁對(duì)DSF′的敏感性?；贒SF′損傷指數(shù)，提出了全橋預(yù)警方法，并應(yīng)用于實(shí)際橋梁監(jiān)測(cè)。結(jié)合工程實(shí)際的橋梁隧道安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目，提出完善了多監(jiān)測(cè)指標(biāo)和雙監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)流程。根據(jù)結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力異常狀態(tài)，選取相關(guān)預(yù)警檢測(cè)指標(biāo)，對(duì)應(yīng)相關(guān)預(yù)警監(jiān)測(cè)指標(biāo)得出的預(yù)警監(jiān)測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù)偏離設(shè)計(jì)正常數(shù)值范圍程度和設(shè)計(jì)異常狀態(tài)嚴(yán)重變形程度，建立多個(gè)預(yù)警閾值。最后，將結(jié)構(gòu)的預(yù)警狀態(tài)從安全到潛在危險(xiǎn)程度分為了三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。其安全預(yù)警的閾值理論和安全流程模型設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法都對(duì)我國橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析和應(yīng)急預(yù)警管理具有極為重要實(shí)用的借鑒參考應(yīng)用意義。專家基于變權(quán)原理，研究了變權(quán)平衡系數(shù)問題?；趽p傷靈敏度理論，介紹了一種計(jì)算撓度和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)初始權(quán)的新方法。最后，采用改進(jìn)的變權(quán)層次分析法對(duì)主橋箱梁的安全狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估，評(píng)估結(jié)果良好。專家基于Matlab 平臺(tái)創(chuàng)建出了另外一種結(jié)構(gòu)，在隨機(jī)環(huán)境激勵(lì)模式下響應(yīng)的AR-ARX 模型，可用于進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的損傷預(yù)警，該研究方法只需事先對(duì)該橋梁結(jié)構(gòu)在隨機(jī)環(huán)境和隨機(jī)激勵(lì)方式下隨機(jī)采集得到的加速度和響應(yīng)的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，據(jù)此建立一個(gè)時(shí)間序列模型，進(jìn)行橋梁損傷預(yù)警。最后還證明出了該分類方法的確具有十分廣泛的經(jīng)濟(jì)適用性。

2 監(jiān)測(cè)異常數(shù)據(jù)的類別和特點(diǎn)

提出一種針對(duì)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理以及異常數(shù)據(jù)處理的方法，并通過對(duì)四方臺(tái)大橋的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，表明該方法能較好在工程中應(yīng)用，同樣適用于對(duì)類似橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)異常數(shù)據(jù)的識(shí)別和處理。根據(jù)在四方臺(tái)大橋?qū)嶋H監(jiān)測(cè)中和其他橋梁的健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中異常數(shù)據(jù)的形式中看，大體可分為三類較為常見的數(shù)據(jù)異常形式：單點(diǎn)異常數(shù)據(jù)、持續(xù)異常數(shù)據(jù)和缺失數(shù)據(jù)。

2.1 單點(diǎn)異常數(shù)據(jù)的形式和特點(diǎn)

單點(diǎn)異常數(shù)據(jù)的產(chǎn)生主要是由于傳感器自身的不穩(wěn)定性導(dǎo)致，在通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析中發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生頻率較高大約占比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的3%。傳感器單點(diǎn)異常數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是：僅有極少數(shù)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，在出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)立即恢復(fù)正常，異常數(shù)據(jù)的數(shù)值與正常數(shù)據(jù)相比差異較大。

2.2 持續(xù)異常數(shù)據(jù)的形式和特點(diǎn)

傳感器的持續(xù)數(shù)據(jù)異常是橋梁在線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中另一種主要的數(shù)據(jù)異常形式。其數(shù)據(jù)異常原因和表現(xiàn)形式復(fù)雜，根據(jù)是否存在數(shù)據(jù)丟失，可以分為數(shù)據(jù)持續(xù)異常和數(shù)據(jù)丟失異常兩種。數(shù)據(jù)的持續(xù)異常通常是由外部環(huán)境的干擾、傳輸電纜的變形或摩擦等引起的，說明每個(gè)時(shí)間點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)沒有丟失，但是從某個(gè)時(shí)刻開始，數(shù)據(jù)在短時(shí)間內(nèi)突然發(fā)生了很大的變化，變化后的數(shù)據(jù)特征和以前一樣，短時(shí)間內(nèi)無法恢復(fù)。

3 檢測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理

在橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，通過監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)時(shí)采集的海量原始數(shù)據(jù)是進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)預(yù)警和評(píng)估的基礎(chǔ)。通過對(duì)海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，可以對(duì)所監(jiān)測(cè)橋梁的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警和評(píng)估。

所以，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)警和評(píng)估是建立在海量原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能精準(zhǔn)地反映出橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的基礎(chǔ)上。但在實(shí)際監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長時(shí)間處在比較惡劣的自然環(huán)境中，受到環(huán)境影響、內(nèi)部電路損壞、電器部件老化和其他原因?qū)е碌膫鞲衅鞴收媳容^常見。傳感器故障會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常，進(jìn)而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)誤報(bào)，為監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來嚴(yán)重的干擾，極大增加了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的維護(hù)成本。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警體系的分級(jí)設(shè)置

為了全面、完整地評(píng)價(jià)當(dāng)前橋梁運(yùn)營狀況，橋梁運(yùn)營監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)警閾值采用分級(jí)設(shè)置的原則。在橋梁結(jié)構(gòu)安全預(yù)警中，根據(jù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的不同，預(yù)警狀態(tài)可分為四個(gè)等級(jí)，分別用綠色、藍(lán)色、黃色和紅色表示。

正常狀態(tài)(綠色)：即橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控系統(tǒng)中各種指標(biāo)都沒有超過閾值，不影響結(jié)構(gòu)安全、結(jié)構(gòu)耐久性以及行車舒適性。

一級(jí)預(yù)警狀態(tài)(藍(lán)色)：橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的指標(biāo)監(jiān)測(cè)值超過了一次報(bào)警閾值，但沒有達(dá)到其他閾值限度。這種情況發(fā)生的原因可能由于傳感器數(shù)據(jù)異常、車流量的變化(通過重型車輛)等，一般情況下可以很快恢復(fù)，全橋結(jié)構(gòu)幾乎處于無異常的狀態(tài)。

二級(jí)預(yù)警狀態(tài)(黃色)：在橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，多個(gè)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)值超過一級(jí)預(yù)警閾值，單個(gè)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)值連續(xù)超過一級(jí)預(yù)警閾值，或者現(xiàn)有指標(biāo)的監(jiān)測(cè)值超過二級(jí)預(yù)警閾值。這種狀態(tài)表明橋梁結(jié)構(gòu)的某些部分可能損壞，或者橋梁上的荷載發(fā)生了很大變化，亦或是發(fā)生了緊急情況，應(yīng)及時(shí)部署相應(yīng)的處理措施，以確定是否進(jìn)行必要的交通控制和加固處理。

三級(jí)預(yù)警狀態(tài)(紅色)：橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的指標(biāo)監(jiān)測(cè)值超過三級(jí)報(bào)警閾值。這表明橋梁結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)了相當(dāng)大的損傷，或者橋梁所處的環(huán)境發(fā)生了明顯的變化，或者發(fā)生了極端的突發(fā)事件，問題比較嚴(yán)重，需要觸發(fā)全橋的安全評(píng)估，并向有關(guān)部門報(bào)告啟動(dòng)預(yù)案。

5 案例分析

20世紀(jì)90年代末21世紀(jì)初，我國大規(guī)模修建的大跨度橋梁服役時(shí)間已近20年，橋梁結(jié)構(gòu)老化嚴(yán)重，此外，近年來國內(nèi)外橋梁安全事故頻發(fā)，為公路橋梁養(yǎng)護(hù)工作不斷加壓，大規(guī)模發(fā)展公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已是當(dāng)務(wù)之急。安全預(yù)警作為健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中極其重要的一環(huán)，如何設(shè)計(jì)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的預(yù)警體系，如何設(shè)置預(yù)警閾值，成為眾多學(xué)者廣泛研究的問題。以四方臺(tái)大橋?yàn)橐劳袑?duì)雙塔斜拉橋的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究，得到以下研究結(jié)論。

第一，采用國際大型成熟的橋梁有限元仿真軟件Midas 和圖像處理軟件Civil 建立開發(fā)出了四方臺(tái)大橋結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)靜力分析，以確定不同工況下該橋的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)的包絡(luò)圖，并得出在汽-超20 偏載工況下為最不利工況。為健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的測(cè)點(diǎn)布置提供依據(jù)，并作為預(yù)警閾值的設(shè)置參照。

第二，制定了雙塔斜拉橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和系統(tǒng)框架，并對(duì)四方臺(tái)大橋的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)信息包括主梁應(yīng)變、溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、主梁撓度、主塔位移、主梁振動(dòng)和位移以及索力等方面，并根據(jù)有限元分析結(jié)果布置測(cè)點(diǎn)。

第三，根據(jù)試運(yùn)行階段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分為靜態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用極值法、平均值法、標(biāo)準(zhǔn)方差法分析，并介紹了直線和曲線兩種數(shù)據(jù)的線形趨勢(shì)測(cè)定方程?？偨Y(jié)了三種較為常見的異常數(shù)據(jù)類別和特點(diǎn)，并采用3σ 法處理異常數(shù)據(jù)。

第四，基于四方臺(tái)大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套安全預(yù)警體系，并制定了一套預(yù)警流程，實(shí)現(xiàn)了多層次、多方面的安全預(yù)警體系。以監(jiān)測(cè)撓度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值、靜載試驗(yàn)、有限元模型、規(guī)范限值等指標(biāo)設(shè)置三級(jí)預(yù)警閾值，以2019年度溫度荷載和汽車荷載所引起的最大撓度和為一級(jí)預(yù)警閾值，以靜載試驗(yàn)下偏載最大撓度工況的撓度值為二級(jí)預(yù)警閾值，以0.9 倍規(guī)范規(guī)定的最大值為三級(jí)預(yù)警閾值。并通過2020年度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該預(yù)警體系的合理性和準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

橋梁施工健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究是近年來橋梁施工領(lǐng)域的一個(gè)中心課題。它包括智能傳感器、數(shù)據(jù)處理、損傷檢測(cè)和定位、健康診斷和安全評(píng)估及其集成系統(tǒng)。它具有明顯的跨學(xué)科特點(diǎn)，需要各學(xué)科研究人員和工程工程師的密切合作。本文研究了用于健康監(jiān)測(cè)的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和健康檢測(cè)系統(tǒng)。主要結(jié)論如下：

一是建立了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。采用該設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行良好，為建立橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證模型提供了系統(tǒng)原型，為橋梁結(jié)構(gòu)損傷演化、損傷識(shí)別、模型更正、安全評(píng)估和維護(hù)管理策略的研究提供了大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

二是本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為橋梁施工健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)示范系統(tǒng)，積存了技術(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。