中小跨徑混凝土梁橋管理養護系統研究與開發

楊永清，馮睿為，李曉斌，劉一鳴

(西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)*

0 引言

橋梁作為交通基礎設施的咽喉工程，在公路、鐵路運輸系統中發揮著至關重要的作用.隨著交通事業的蓬勃發展，既有的許多中小跨徑混凝土梁橋因運營要求提高、環境因素復雜，在抗疲勞、耐久性等方面出現了結構性能缺失，而且目前常用的橋梁管養方法簡單粗放，缺乏系統性.這些問題導致橋梁不能得到及時的維護、補強，影響了結構的正常使用，甚至增加了安全風險.鑒于此，本文研究開發了適合中小跨徑混凝土梁橋的管理養護系統.該系統準確地把握了橋梁管理養護工作中面臨的問題，建立了科學的評價體系和方法，提出了合理、有效的管理養護措施.

1 橋梁管理養護系統發展概況及存在問題

1.1 發展概況

橋梁管理養護系統是指運用現代先進的管理理念、計算科學和統計科學，借助計算機技術，研究和開發一個集橋梁數據儲存與查閱、技術狀況評價、結構退化預測、養護措施決策及養護資金分配為一體的管理信息系統［1］，對已建的橋梁進行有效的養護管理，使這些橋梁適應不斷增長的交通的需要.

自上世紀80年代起，西方國家已經進行了對本國橋梁養護系統的開發.1968年，美國建立了世界上第1個橋梁管理養護系統——國家橋梁總目(NBI).1988年，美國交通部聯邦道路廳(FHWA)便開發了具有初步輔助決策功能的橋梁管理系統POINTS橋梁管理系統.在歐洲、亞洲一些國家也開發出了相應的適合本國情況的橋梁管理系統，如丹麥的DAN-BRO、法國的EDOU ARD、英國的NATS、挪威的 BRUTUS、瑞士的 NATS、日本的 JBMS 及韓國的 SHBMS［2］.

我國橋梁管理系統的研究開始于80年代初期，其中較為典型的是交通部的CBMS系統［3］.另外，四川公路研究所、廣東公路研究所等單位先后開發出了針對該省橋梁實際情況的管理養護系統.對于大跨度橋梁，我國也自主開發了一些相應的養護管理系統，如海滄大橋養護管理系統、南京二橋綜合管理系統、南京三橋養護管理系統等［4］.

1.2 存在的問題

隨著橋梁管理養護系統在我國迅速地普及與發展，系統在使用過程中仍存在一些問題:

(1)目前國內很多橋梁管理養護系統雖然涵蓋面較廣，但對于每一類橋型的管理養護不夠深入，并且缺乏針對典型橋型的管理養護系統的開發;

(2)現有系統的橋梁養護數據有很大的潛在價值，比如可以研究一座橋的病害隨時間變化情況，從而對該橋做出結構退化趨勢預測;比如可以對系統中同類型橋梁的病害特征進行數據的統計分析掌握其科學規律.但是大多數系統將數據束之高閣，造成了巨大的浪費;

(3)對于橋梁病害的分析不夠全面，導致絕大部分管養系統養護決策模塊不夠完善，沒有給出具體的養護建議.

基于以上問題，本文以中小跨徑混凝土梁橋管理養護系統為例，實現對典型橋型的管理養護及決策.

2 系統設計

中小跨徑梁橋管理養護系統由橋梁信息管理子系統、技術狀況評定子系統、數據決策分析子系統和系統輔助模塊子系統四個模塊組成.系統設計結構圖如圖1所示.

2.1 橋梁信息管理子系統設計

圖1 系統設計結構圖

橋梁信息管理子系統由橋梁基本資料庫、橋梁構件病害庫以及工程圖紙等附件資料組成，每一個子模塊都具有資料的添加、修改、刪除、查詢等功能，其中橋梁信息及病害庫的數據有三大來源:①在線監測數據(包括攝像機、傳感器);②格式標準化的橋梁現場檢測數據;③經過授權認證的用戶手工輸入的數據.該子系統用例圖如圖2所示.

圖2 橋梁基本信息用例圖

2.2 技術狀況評定子系統設計

橋梁技術狀況評定的設計目標是依據橋梁存在的缺損狀況，對橋梁進行等級評定，研究橋梁退化的原因，確定維護維修方案，將有限的資源作最優的分配，以使結構(或構件)維持在安全的狀況.系統依據《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG T H21-2011)［5］中的評定方法對橋梁的技術狀況等級進行評定，業務流程如圖3所示，評定相關數據庫實體-聯系圖如圖4所示.

2.2.1 技術狀況評定子系統評分計算方法

全橋的技術狀況評分是由上部結構、下部結構、橋面系評價后的評分值加權求和得到的.他們各自又包括多個部件，每個部件又由多個構件組成.因此橋梁的評分是從單個構件的評定開始，依次計算得分，最后逐級進行加權計算，得到最終得分.

(1)橋梁構件的技術狀況評分(以上部結構的構件為例)

當x=1時

當x≥2時

圖3 評定流程圖

式中:PMCIl為上部結構第i類部件l構件的得分，值域為0～100分;k為第i類構件l構件出現扣分的指標的種類數;U、x、y為引入的中間變量;i為部件類別，例如i表示上部承重構件、支座、橋墩等;j為第i類部件l構件的第j類檢測指標;DPij為第i類部件l構件的第j類檢測指標的扣分值;根據構件各種檢測指標扣分值進行計算.

(2)橋梁部件的技術狀況評分(以上部結構的部件為例)

(3)橋梁上部結構、下部結構、橋面系的技術狀況評分(以上部結構為例)

式中:SPCI為橋梁上部結構技術狀況評分，值域為0～100分;PCCIi為上部結構第i類部件的得分;m為上部結構的部件種類數;Wi為第i類部件的權重.

(4)橋梁總體的技術狀況評分

式中:Dr為橋梁總體技術狀況評分，值域為0～100分;WD為橋面系在全橋中的權重;Wsp為上部結構在全橋中的權重;WSB為下部結構在全橋中的權重;SBCI為橋梁下部結構技術狀況評分，值域為0～100分;BDCI為橋面系技術狀況評分，值域為0～100分.

圖4 技術狀況評定數據庫實體-關系圖

2.2.2 橋梁技術狀況評定實例

以綿陽市某橋為例，介紹橋梁技術狀況評定程序自動計算過程.該橋上部結構為鋼筋混凝土簡支板梁，結合現場實際病害情況，使用上述評定方法得出橋梁技術狀況評定結果.該橋上部結構僅有一個主梁，其扣分值如表1所示.

表1 主梁扣分情況表

利用式(1)可得該橋上部結構的主梁構件的得分為:

=PMCI-(100-PMCImin)/t=25.28

由于該橋上部結構僅有一個主梁，重新分配權重后，利用式(5)得出該橋上部結構技術狀況評分:

利用式(4)可得該橋上部結構部件的得分為:PCCIi

同理可得其下部結構及橋面系的技術狀況評分分別為:

最后通過式(6)得出橋梁總體技術狀況評分為:

Dr=BDCI×WD+SPCI×WSP+SBCI×WSB

=25.28× 0.40+70.88× 0.40+61.15× 0.20

=50.69

綜合判定該橋的技術狀況評定等級為4類，表明該橋梁體結構有大的缺損，影響承載能力，不能保證正常使用.

2.3 橋梁決策分析子系統設計

橋梁數據分析子系統主要根據檢測數據，對其結構退化趨勢進行預測，對橋梁病害特征進行統計分析，提出詳細的養護措施以及建議.

(1)橋梁結構退化預測方法

橋梁結構的技術狀況在荷載和外界環境等條件變化時也會不斷發生相應的變化，我們對其退化的趨勢做出預測就稱為橋梁結構退化趨勢預測.準確的橋梁結構退化趨勢預測有助于制定合理的養護規劃，提出有效的建議和決策.

本模塊中預測方法采用回歸分析法.回歸預測法就是利用橋梁在t0時刻前各個檢測時刻的實際檢測結果，通過回歸分析，建立橋梁技術狀態與使用時間的關系［6］，以此得出橋梁結構的退化趨勢.

(2)病害統計分析

在所采集的大量混凝土梁橋檢測數據的基礎上，該模塊按照截面形式將其分為板梁橋、T梁橋、箱梁橋三類，對每一類橋的常見病害及分布進行統計分析，總結常見病害產生規律，通過扇形圖、雷達圖等圖表形式直觀地表達出來，并且針對每一種病害分析其產生的原因，使得管理養護工作更具有針對性，大大提高了工作效率.

(3)橋梁養護決策

橋梁養護決策是針對橋梁現有狀況，制定合理的養護計劃，給出有效的建議.該模塊采用決策樹法進行分析，其原理是依托橋梁養護工程師長期積累的經驗，借助系統化的方法對這些經驗進行提煉，提出合理的養護維修對策［7］.該模塊中決策樹模型考慮了橋梁承載力、缺損狀況等影響因素.

(4)系統輔助模塊子系統

系統管理子系統主要包括用戶及權限管理、數據導入與導出、報表打印、數據字典管理四個模塊.該部分主要對系統數據進行管理，保證數據的安全性、可靠性.

3 系統實現

本系統程序設計基于Java編程語言，采用J2EE架構，選用Microsoft SQL Server數據庫.Java編程語言是一種非常流行的編程語言，具有運行效率高、跨平臺、安全性高等特性，被眾多大型企業選用.

按照上述設計思路及計算機技術，本文實現了中小跨徑混凝土梁橋管理養護系統的編制目標.該系統已成功應用于實際的橋梁管理養護工作中，其中技術狀況評定界面如圖5所示.

圖5 系統技術狀況評定界面

4 結論

本文依據公路橋梁技術狀況評定方法，結合中小跨徑混凝土梁橋的常見的病害特點，運用Java編程語言、Microsoft SQL Server數據庫和數理統計等相關知識研究與開發出了中小跨徑混凝土梁橋管理養護系統，主要的研究結論有以下幾個方面:

(1)結合不同截面形式混凝土梁橋的常見病害，總結出病害的易發部位，使橋梁養護工作更具有針對性;

(2)研究開發了中小跨徑混凝土梁橋管理養護系統，深入挖掘了橋梁養護數據，實現了橋梁的技術狀況評定、構件功能退化預測與養護評價決策的程序化，提高了管理養護的工作效率.該系統已經成功應用在綿陽某橋等項目中;

(3)使用Java程序語言進行編程，運行效率高，穩定性好、可以在多種平臺上運行，對以后類似工作具有一定的參考價值.

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