基于監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的大跨度橋梁健康狀態(tài)評估方法研究

杜 強(qiáng)，李冬冬*，解 崢

（1.威海市公路事業(yè)發(fā)展中心，山東 威海；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)重慶研究院，重慶；3.哈爾濱合正科技有限公司，黑龍江 哈爾濱）

引言

大跨度橋梁是交通基礎(chǔ)設(shè)施中不可或缺的重要組成部分，在長期使用的過程中，橋梁會受到各種外界因素的影響，逐漸出現(xiàn)各種損傷，影響其健康運(yùn)營[1]。橋梁健康狀態(tài)評估的2 個重要指標(biāo)包括損傷度和可靠度。大跨度橋梁損傷度的預(yù)測和可靠度評估對于保障橋梁的安全運(yùn)行至關(guān)重要，不僅可以及時發(fā)現(xiàn)和修復(fù)潛在的結(jié)構(gòu)問題，還可以合理規(guī)劃維護(hù)和加固措施，延長橋梁的使用壽命[2-3]。傳統(tǒng)的橋梁損傷度預(yù)測方法往往基于靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型和有限元分析，對橋梁的損傷進(jìn)行分析和預(yù)測[4]。然而，這種方法在預(yù)測大跨度橋梁的損傷度時存在精度不高和計算復(fù)雜等問題。隨著監(jiān)測技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法的不斷進(jìn)步，利用實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行橋梁損傷度預(yù)測和可靠度評估成為現(xiàn)實(shí)[5]。

基于監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的大跨度橋梁損傷度預(yù)測和可靠度評估方法，通過收集橋梁的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，對橋梁的結(jié)構(gòu)特性和使用狀況進(jìn)行全面分析。這種方法綜合考慮了橋梁本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、外界環(huán)境和日常運(yùn)行等因素，有效地提高了預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度。研究結(jié)合長會口特大橋工程，運(yùn)用現(xiàn)場實(shí)測的手段，布置長期監(jiān)測傳感器體系，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的方法實(shí)測橋梁結(jié)構(gòu)加速度時程曲線和位移時程曲線，對橋梁結(jié)構(gòu)的損傷度預(yù)測和可靠度評估，研究成果可為大跨度橋梁的維護(hù)和管理提供了科學(xué)的決策支持，對于城市交通和基礎(chǔ)設(shè)施的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 工程概況

長會口特大橋位于靖海灣北部，是連接長會口和馮家村的跨海大橋工程。主橋為跨徑117+230+117 m預(yù)應(yīng)力雙塔雙索面斜拉橋，邊中跨比為0.508 7。主梁采用雙邊主肋形預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，主梁頂、底面全寬20.1 m，邊肋高2.0 m，梁中部全高2.2 m。塔、墩、梁全固結(jié)體系，橋塔采用H 形縮塔，主橋各塔均布設(shè)13 對豎琴式斜拉索。

2 橋梁健康監(jiān)測傳感器系統(tǒng)

由于大跨度橋梁在運(yùn)營過程中，受到環(huán)境因素、外荷載作用因素的影響，橋梁的服役性能發(fā)生連續(xù)的變化，因此對傳感器的性能具有嚴(yán)格的要求。主要表現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)在汽車荷載和風(fēng)荷載作用下發(fā)生低頻率的自振運(yùn)動，這要求傳感器的精度、低頻特性、靈敏度和分辨率都應(yīng)滿足測試要求[6-9]；橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是一項長期的工作，傳感器需滿足在長期惡劣室外環(huán)境中能夠正常工作，具備良好的魯棒性，避免由于傳感器的失效導(dǎo)致的測試信號的中端，以輸出穩(wěn)定連續(xù)的采集信號；傳感器應(yīng)具有一定的相容性和擴(kuò)展性，這是采用不同的傳感器設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，一般需要經(jīng)過信號放大器放大后進(jìn)行顯示、處理和存儲，為了保證傳感器設(shè)備采集數(shù)據(jù)能夠輸出和后續(xù)數(shù)據(jù)的處理，因此傳感器應(yīng)具有相匹配的調(diào)理器，以滿足數(shù)據(jù)的相容性。為此，結(jié)合實(shí)際工程長期監(jiān)測要求，對橋梁的環(huán)境監(jiān)測、荷載監(jiān)測、結(jié)構(gòu)特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)等相應(yīng)內(nèi)容確定相應(yīng)的傳感器類型，如表1 所示。

表1 橋梁監(jiān)測傳感器監(jiān)測體系及監(jiān)測參數(shù)

3 基于橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的損傷分析

基于表1 中的橋梁傳感器體系對各種指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，提取監(jiān)測時間段為2023 年6 月至2023 年8 月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以橋梁典型加速度時程曲線和典型位移時程曲線為例，其實(shí)測結(jié)果如圖1 和圖2 所示。

圖1 橋梁典型加速度時程曲線

圖2 橋梁典型位移時程曲線

運(yùn)用線性累計損傷準(zhǔn)則和疲勞強(qiáng)度曲線對橋梁結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)進(jìn)行評估，得到橋梁結(jié)構(gòu)的損傷度分布如圖3、圖4 所示。

圖3 基于實(shí)測加速度的橋梁結(jié)構(gòu)損傷度預(yù)測

從圖3 中可以看出，基于實(shí)測加速度對橋梁結(jié)構(gòu)損傷度進(jìn)行預(yù)測，得到橋梁拉索的預(yù)測損傷度平均值為65.59%，超越閾值的樣本點(diǎn)為2 個，超越概率為13%，預(yù)測損傷度最大值為108.67%；橋梁主梁的預(yù)測損傷度平均值為65.35%，超越閾值的樣本點(diǎn)為4 個，超越概率為26%，預(yù)測損傷度最大值為118.06%；橋梁主塔的預(yù)測損傷度平均值為68.59%，超越閾值的樣本點(diǎn)為4 個，超越概率為26%，預(yù)測損傷度最大值為119.38%。

從圖4 中可以看出，基于實(shí)測位移對橋梁結(jié)構(gòu)損傷度進(jìn)行預(yù)測，得到橋梁拉索的預(yù)測損傷度平均值為65.26%，超越閾值的樣本點(diǎn)為3 個，超越概率為20%，預(yù)測損傷度最大值為116.13%；橋梁主梁的預(yù)測損傷度平均值為71.02%，超越閾值的樣本點(diǎn)為3 個，超越概率為20%，預(yù)測損傷度最大值為120.98%；橋梁主塔的預(yù)測損傷度平均值為68.47%，超越閾值的樣本點(diǎn)為4 個，超越概率為26%，預(yù)測損傷度最大值為124.35%。

4 基于橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠度評估

橋梁結(jié)構(gòu)在長期的運(yùn)用中，其結(jié)構(gòu)抗力會受環(huán)境、材料、荷載的不確定性呈現(xiàn)經(jīng)驗時變規(guī)律，這種變化需采用統(tǒng)計學(xué)理論進(jìn)行分析。研究基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，運(yùn)用抽樣測量值、歷史經(jīng)驗測量值和貝葉斯方法預(yù)測值對橋梁結(jié)構(gòu)的抗力平均值、抗力標(biāo)準(zhǔn)差和可靠度進(jìn)行設(shè)計年限內(nèi)（100 年）預(yù)測，得到結(jié)果如圖5-圖7 所示。

圖5 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁結(jié)構(gòu)抗力平均值隨時間變化預(yù)測曲線

圖6 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁結(jié)構(gòu)抗力標(biāo)準(zhǔn)差隨時間變化預(yù)測曲線

圖7 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁結(jié)構(gòu)可靠度隨時間變化預(yù)測曲線

從圖5-圖7 中可以看出，3 種不同的預(yù)測方法得到的橋梁結(jié)構(gòu)抗力平均值、抗力平均值和抗力標(biāo)準(zhǔn)差的變化規(guī)律基本一致，均隨著時間的增加呈現(xiàn)單調(diào)減小的趨勢，且運(yùn)用時間50 年內(nèi)，各項預(yù)測參數(shù)下降速度較小，而在50 年后各項預(yù)測參數(shù)下降速度較大；對比3 種不同的預(yù)測方法可知，貝葉斯方法得到的各項參數(shù)趨勢平滑且變化穩(wěn)健，因此該方法具有更精確的預(yù)測效果；從圖7 中可以看出，當(dāng)橋梁運(yùn)行時間大于90 年后，其可靠度小于零，因此需要加強(qiáng)運(yùn)用維護(hù)，以延長橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營年限。

5 結(jié)論

以長會口特大橋為研究對象，運(yùn)用現(xiàn)場實(shí)測的手段，布置長期監(jiān)測傳感器體系，實(shí)測橋梁結(jié)構(gòu)加速度時程曲線和位移時程曲線，對橋梁結(jié)構(gòu)的損傷度預(yù)測和可靠度評估，得到以下幾個結(jié)論：

（1） 基于實(shí)測加速度對橋梁結(jié)構(gòu)損傷度進(jìn)行預(yù)測，得到橋梁拉索的預(yù)測損傷度平均值為65.59%，主梁的預(yù)測損傷度平均值為65.35%，主塔的預(yù)測損傷度平均值為68.59%。

（2） 基于實(shí)測位移對橋梁結(jié)構(gòu)損傷度進(jìn)行預(yù)測，得到橋梁拉索的預(yù)測損傷度平均值為65.26%，主梁的預(yù)測損傷度平均值為71.02%，主塔的預(yù)測損傷度平均值為68.47%。

（3） 橋梁結(jié)構(gòu)抗力平均值、抗力平均值和抗力標(biāo)準(zhǔn)差的變化規(guī)律基本一致，均隨著時間的增加呈現(xiàn)單調(diào)減小的趨勢，且運(yùn)用時間50 年內(nèi)，各項預(yù)測參數(shù)下降速度較小，而在50 年后各項預(yù)測參數(shù)下降速度較大；當(dāng)橋梁運(yùn)行時間大于90 年后，其可靠度小于零，因此需要加強(qiáng)運(yùn)用維護(hù)，以延長橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營年限。