朱彤

摘 要：本文主要介紹了已運營橋梁自動化監(jiān)測閾值的確定方法，闡明了現(xiàn)階段橋梁監(jiān)測中閾值設定方法的優(yōu)缺點及適用范圍和存在的弊端，提出了未來橋梁監(jiān)測閾值設定方法的發(fā)展和方向，對未來設定橋梁監(jiān)測閾值的方法的優(yōu)缺點進行了闡明。

關鍵詞：橋梁健康監(jiān)測、閾值、有限元

1.行業(yè)現(xiàn)狀

橋梁是交通運輸系統(tǒng)中重要的組成部分，對于國民經(jīng)濟的穩(wěn)定和持續(xù)發(fā)展起著重要的作用，現(xiàn)役橋梁由于分布廣、數(shù)量多，養(yǎng)護不及時，受到自然環(huán)境侵蝕和材料老化等因素的影響，加之車輛荷載的長期效應，超重車輛管控不嚴等因素，使橋梁結構的安全性降低，導致出現(xiàn)安全事故的可能性的概率增加。

加強橋梁結構的安全監(jiān)測，時時掌握橋梁的運行狀態(tài)，不僅關系到國家的經(jīng)濟命脈的暢通，而且也直接關系到人民群眾的生命財產(chǎn)安全。

合理設置閾值是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要一環(huán)，當前橋梁健康監(jiān)測閾值設定方法有如下特點：

（1）普遍采用的預警方式為基于原始數(shù)據(jù)的多級閾值體系;

（2）閾值概念邏輯簡單，操作便捷，具有實用價值;

（3）閾值的確定往往缺乏可靠依據(jù);

（4）簡單對原始數(shù)據(jù)劃定閾值并不適用于所有類型的監(jiān)測指標。

2.常用閾值確定方法

2.1依據(jù)規(guī)范設置閾值

依據(jù)規(guī)范標準設置閾值是目前設置監(jiān)測閾值最普遍采用的方法。其優(yōu)點是概念清晰明確，從理論上和工程上均具有一定的保障。其缺點是現(xiàn)有的結構監(jiān)測相關規(guī)范大都針對大橋、特大橋體系，而對于中小橋、特別是農(nóng)村公路橋梁并沒用相關閾值設定的規(guī)范，而且過去設計規(guī)范中的一些規(guī)定已經(jīng)不能很好的適應結構發(fā)展現(xiàn)狀，閾值區(qū)間較大，相對偏于不保守。

大橋、特大橋結構可依據(jù)監(jiān)測相關規(guī)范（例如《公路橋梁結構安全監(jiān)測系統(tǒng)技術規(guī)程 JT/T1037-2016》、《大跨度橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)預警閾值標準》 T/CECS?529-2018等），其他橋梁可以參考上述規(guī)范，應注意監(jiān)測方式是否與規(guī)范相符。

結構設計規(guī)范（例如《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》JTG 3362-2018 、《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》JTG D64-2015等）中的通用限值可作為嚴重等級的預警閾值，但應特別注意限值所對應的荷載工況及組合。

2.2依據(jù)設計資料設置閾值

設計值依據(jù)規(guī)范計算得到，能夠較準確地反映結構自身的特性，但其主要的缺點在于設計荷載與真實荷載模式不同;監(jiān)測數(shù)據(jù)包含復雜因素，無法準確對應到設計值;設計資料無法覆蓋實際測點，老舊橋梁資料缺失等問題。

該閾值設定的方法適用于各類橋梁，尤其適合于索力、撓度、自振頻率等指標。需要特別注意理解設計值的含義，明確設計值所采用的荷載組合（是否包含自重等）以及對應的橋梁建設階段（施工階段/成橋狀態(tài)），避免誤用

2.3依據(jù)有限元仿真設置閾值

依據(jù)有限元仿真設置的閾值是一些大型設計院和監(jiān)測單位使用較為普遍的方法，其優(yōu)點在于基于實際結構建立成橋狀態(tài)模型，能夠更準確地反映結構的實際受力情況，便于獲取傳感器所在位置處的結構響應。其主要缺點也較為凸顯，設計荷載與真實荷載模式不同;監(jiān)測數(shù)據(jù)包含復雜因素，無法準確對應到設計值;細節(jié)資料不足，建?？赡懿粶蚀_，特別是老舊橋梁經(jīng)過多年運營后，材料結構出現(xiàn)損傷、老化，此時有限元建模計算的結果已不能反映出橋梁真實的受力狀態(tài)。

2.4依據(jù)檢測、荷載試驗設置閾值

依據(jù)檢測、荷載試驗設置閾值，其實質上是基于實際橋梁測定，準確性較高。其缺點是荷載試驗為短期試驗，主要反映活荷載作用下結構的響應，其測量內(nèi)容有限，無法覆蓋各項監(jiān)測指標，且針對個別橋梁，成本較高，不能作為行業(yè)內(nèi)通用的閾值標準。橋梁定檢報告中的索力、主梁線形等，可作為該橋梁監(jiān)測的基準值。

2.5依據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征設置閾值

依據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征設定閾值的優(yōu)點：基于實際橋梁測定，準確性較高

能夠有效控制報警事件發(fā)生的概率，其缺點主要有：需要通過試運行積累大量的實際數(shù)據(jù)，且假定在試運行階段結構沒有發(fā)生明顯的損傷等異常情況，對于在試運行階段已經(jīng)發(fā)生異常的情況無法及時發(fā)現(xiàn)。該閾值設定的方法適用于各類橋梁，一般采用歷史數(shù)據(jù)超越概率95%或者更高臨界值進行控制，受長期效應影響，閾值需要間隔一段時間進行更新，但時間窗口的選擇方式比較主觀，該方法本身的合理性也仍在探討中。

通過以上閾值設定的方法可以對橋梁各種監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，從而判定橋梁的運營狀態(tài)。影響橋梁結構性能的因素往往具有較大的隨機性，所以基于概率的方法設定閾值是處理隨機性的有效工具，研究了橋梁結構監(jiān)測閾值設定方法未來的發(fā)展[1]。

3.閾值設定方法未來發(fā)展

對原始數(shù)據(jù)進行分析處理后進行預警，可以提供更為合理可信的預警結果，極大減輕運維工作，避免大量無意義的錯誤預警。

3.1超越概率預警

超越概率預警是通過對一段時間的歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計建模，得到其概率分布函數(shù)，再根據(jù)概率模型計算相應的閾值區(qū)間，并對未來的數(shù)據(jù)進行預警，該閾值設定的方法適用于各種情況，以實際數(shù)據(jù)為驅動，更適合用于靜態(tài)數(shù)據(jù)。其存在的問題主要在于，預警效果取決于概率模型的建立是否合理：如通過一年以上的監(jiān)測數(shù)據(jù)建立的概率模型，基本能夠覆蓋各種環(huán)境條件的情況，但其閾值區(qū)間也必然較大，對于很多異常情況可能無法及時發(fā)現(xiàn)。如通過一個月的數(shù)據(jù)建立概率模型，當不同月份之間溫度差異較大時，預警也會失效。因此需要將溫度引入概率模型的參數(shù)變量中，根據(jù)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)自動對概率模型的參數(shù)進行修正。

3.2殘差預警

殘差預警是指對數(shù)據(jù)進行長期效應剝離后，將得到的高頻部分作為殘差，與活載作用下結構響應閾值比較后進行預警。該方式主要適用于動態(tài)數(shù)據(jù)。對于靜態(tài)數(shù)據(jù)，由于不存在高頻成分，因此并不適用。其存在問題在于，預警效果取決于長期效應剝離算法的實現(xiàn)。

3.3相關性預警

對于某些理論上應當具有相關性的指標（例如結構溫度與應變、溫度與伸縮縫位移等），可以采用其相關系數(shù)來進行預警。當一段時間內(nèi)數(shù)據(jù)的相關性低于某一閾值后，系統(tǒng)發(fā)出預警。該方式對于動態(tài)及靜態(tài)數(shù)據(jù)均適用，指標之間在理論上應具有明確穩(wěn)定的相關關系[2]（例如溫度與位移等）。該預警方法存在問題在于可靠性和穩(wěn)定性尚未得到驗證，無法區(qū)分是數(shù)據(jù)異常還是結構異常，目前暫不推薦作為唯一的預警方式，而應當與其他預警方式配合進行預警。

3.4回歸系數(shù)預警

對于一些具有明顯相關性的指標，除了相關系數(shù)外，還可以進一步采用線性回歸或多項式回歸方法建立指標之間的統(tǒng)計模型。例如對于溫度與伸縮縫位移，回歸模型的系數(shù)代表著結構測點溫度每變化1℃時伸縮縫位移的變化量。如果該系數(shù)發(fā)生了較為明顯的變化，則可能意味著結構出現(xiàn)異常。

該方式主要關心長期影響，因此更適合于靜態(tài)數(shù)據(jù)，適用指標包括與溫度高度相關的各類指標、阻尼器及結構加速度幅值等。

回歸模型的合理性是預警的關鍵。如模型不合理，則其回歸系數(shù)理論上就不穩(wěn)定，也無法用于預警。目前暫不推薦作為唯一的預警方式，而應當與其他預警方式配合進行預警

3.5累積量預警

對于某些監(jiān)測指標，除了其絕對變化量之外，累計量也是衡量結構構件性能的重要指標。例如伸縮縫位移，其累計行程代表著伸縮縫磨損的程度，而磨損程度與伸縮縫的壽命直接關聯(lián)。因此，建立監(jiān)測指標累計量預警，能夠有針對性的對部分結構構件進行預警。目前了解的應用場景僅為伸縮縫位移，且針對大橋、特大橋比較有效。

其存在的問題，在于監(jiān)測時宜選擇合適的采樣頻率，已有的工程實踐推薦為1Hz，針對不同場景仍有待檢驗。

4 結論

本文主要對橋梁自動化監(jiān)測閾值設定的方法從現(xiàn)階段常用閾值確定方法和未來發(fā)展方向兩方面進行了闡述。闡明了現(xiàn)階段橋梁監(jiān)測中閾值設定方法的優(yōu)缺點及適用范圍和存在的弊端，提出了未來橋梁監(jiān)測閾值設定方法的發(fā)展和方向，同樣對未來設定橋梁監(jiān)測閾值方法的優(yōu)缺點進行了闡明，鑒于本文提出的方法沒有實際項目予以驗證，故閾值未來設定的方法還需進一步研究，以確保得到的閾值真實準確。

參考文獻

[1]焦美菊，孫利民，李清富.基于檢測數(shù)據(jù)的橋梁結構可靠性評估[J].《同濟大學學報（自然科學版）》2011.10

[2]李雪蓮.溫度與斜拉橋跨中撓度的相關性分析[J].城市道橋與防洪.2013.12.12