橋梁健康狀態的智能評估方法研究分析

汪操根 周偉衛 劉其軍

（廣州瀚陽工程咨詢有限公司，廣東 廣州 510220）

自從上個世紀五十年代以來，人們開始認識到橋梁安全檢測的重要性，但是受科技技術手段的限定，橋梁早期監測手段比較落后，橋梁檢測應用受限較大。但是在近幾年大跨橋梁設計形式和功能的日益復雜化，橋梁檢測技術成為國內外學術界人士關注的重點。某地區的市轄區有大小跨河橋梁10 余座，這些橋梁對盤錦市的經濟發展、居民出行起著至關重要的作用。這些橋梁當前已經接近使用年限，年老失修現象嚴重。于貨運車輛超載現象比較嚴重，客觀上也縮短了一些橋梁的使用壽命；由于施工質量等人為因素，一些橋梁達不到設計要求的使用年限；加之橋梁安全監測的技術手段落后，轄區內的橋梁安全狀況令人非常擔憂。為此，文章結合橋梁健康監測內涵和狀態，結合分層理論具體分析該橋梁健康狀態智能評估方法。

1 橋梁健康監測及安全評估和損傷診斷

橋梁健康監測主要是指通過對橋梁結構的無損檢測、實時監控結構的整體行為，具體包含對橋梁結構損失位置和損傷程度的診斷，同時還包含對橋梁服役情況、可靠性、耐久性、承載能力的綜合評估。通過有效的綜合評估能夠為大橋在特殊氣候和交通情況下 的運行異常發出預警信號，進而為橋梁的維修養護提供重要科學指導。

健康診斷是指結構在受到自然的、人為的破壞或者經過長時期使用后，通過測定其關鍵性能指標價差橋梁的使用本身是否受到損傷，如果確定了出現損傷還要具體確定其損傷的位置、程度，由此判斷橋梁的剩余使用價值和使用壽命。

橋梁健康安全性評估是通過應用各種可能性的測試分析手段來對橋梁結構的應用狀態進行分析，并將橋梁的應用情況和臨界失效狀態進行綜合比對分析，評價系統所屬于的安全等級。從實際操作情況來看，對于不同的結構，由于其重要程度不同，安全等級也應該有所差別。安全性評估與可靠性不同，可靠性為一種概率，為一種可能性；而安全性評估旨在給出確定的安全等級，

橋梁的損傷診斷目標是清晰準確的確認結構是否存在損傷。橋梁的損傷診斷的統計模式、識別模型一般是收集損傷前后系統的特征，比較新的模式是否偏離原始模式。

2 橋梁健康狀態評估的層次分析法

混凝土橋梁結合結構不同具體可以被分為連續梁、簡支梁，在具體建設中受結構形式和材料的限制，混凝土橋梁的跨度不大，為此需要在混凝土橋梁上安裝長期監測系統。

2.1 混凝土橋梁評估體系的打造

2.1.1 承載能力評估

混凝土橋梁的承載能力評估要比一般橋梁復雜的多為此，需要通過應用嚴謹的分析方法和科學的數學模型來確定橋梁的承載能力。第一，基于規范的檢算方法。這類檢算方法的評估過程是建立在設計過程結構分析基礎上的方法，由于設計理論對結構力學模型簡化和實際受力情況存在差別以及計算采用的簡化材料本構關系不同在具體操作的時候無法反映出結構退化后的受力行為。第二，荷載試驗。在橋梁檢測和驗算結果無法確定橋梁承載力的時候進行荷載試驗，通過這項操作分析橋梁的實際工作情況，由此確定橋梁的剛度、強度和抗裂性能，實現對橋梁承載能力的準確評估。

2.1.2 綜合技術情況評估

混凝土橋梁綜合技術評估主要是從結構安全角度來對構件缺損情況的分析評估，具體評估素質在很大程度上受評估者以往經驗的影響。綜合技術評估需要參考橋梁構件五種典型受力構件界面的可靠性指標，結合指標打造評估模糊模型。

2.2 健康狀態評估體系

承載能力是橋梁承載的極限狀態評估，也可以說是橋梁的健康狀態評估，具體包含以下幾個方面的內容：①強度和穩定性的評定；②地基和基礎的評定；③剛度評定；④開裂情況評定。從實際發展情況來看影響橋梁強度和穩定度的因素是橋梁的外觀質量、模態參數和環境因素，評估體系涉及到的指標包含自振頻率、模態振型等。混凝土連續梁評估模型具體如圖一所示。

2.2.1 拉索橋梁評估體系

拉索橋梁的跨度較大，具備的功能也更多，因為在對橋梁狀態檢測和評估之外還需要注重對橋梁的狀態進行長期檢測，即應用監測數據信息來對橋梁結構情況開展健康狀態評估。按照橋梁基本構件打造的分層次的評估模型如圖二所示。根據圖二發現，模型評估目標分為表觀檢查和結構監測兩個目標，具體參數包含墩臺基礎、鋼箱梁、主纜、索塔、附屬設施等。

圖二 按照構件層次建立的評估模型

2.2.2 鋼管拱橋的評估體系

通過建立鋼管拱橋長期監測和狀態評估系統不僅能夠為橋梁結構狀態情況開展實時性的監測和評估，通過這項評估來確保橋梁結構的運行安全，而且還可以通過監測橋梁結構的動靜態來打造鋼管混凝土拱橋理論模型。鋼管拱橋的評估體系模型如圖三所示。這類模型的打造都是通過荷載試驗獲取的數據來開展的活動，在具體操作中沒有考慮實時監測環境下的影響因素，比如指標的可監測性、交通流量情況等。

圖三 鋼管拱橋的評估體系模型

2.2.3 橋梁健康狀態評估層次分析的技術路線

橋梁健康狀態評估層次分析綜合評估流程如圖四所示。在應用傳統AHP 方法對監測指標進行底層評語的時候一般會采取百分制的形式進行評估，但是在具體操作中會出現因為模糊性而無法定量分析的現象，針對這個問題需要在橋梁健康狀態評估中引入模糊理論，借助模糊理論和層次分析思想打造多元化的智能模糊評估模型，通過該模型的打造來向人們展示橋梁健康狀態的評估結果。

圖四 橋梁健康狀態評估層次分析綜合評估流程

3 某大橋健康狀態評估策略

3.1 大橋基本情況

大橋在武漢長江大橋下游6.8km 的位置上，全橋總體長度為5748m，主要橋梁是雙塔雙索面自錨式懸浮連續體系預應力混凝土斜拉橋，斜拉橋段橋上的塔高是94m，橋面上六個車道的寬度是29.5m，橋梁的設計荷載是-20 級，掛-120 級。大橋在從通車開始承擔著地區繁重的交通壓力，每日通車數量在10 萬輛左后，但是大橋實際能夠承擔的車輛是每天5 萬輛。在使用的過程中大橋承擔高負荷，橋梁結構安全性受到損害。針對這個問題 有關部門打造了橋梁健康監測和狀態評估系統(如圖五所示)，為橋梁管理部門掌握橋梁結構的健康狀態和橋梁科學管理提供了重要數據支持。

圖五 橋梁健康監測系統總體示意圖

3.2 橋梁健康狀態的智能監測評估

3.2.1 以往橋梁健康狀態檢測的缺點

當前國內對橋梁健康狀態的檢測是在橋梁設計、施工完成交付使用前，或者在發現橋梁結構出現特殊開裂、變形過大、重載等問題的時候對橋梁總體情況進行檢測評估。對橋梁的檢測評估一般以人工方式為主，即在橋梁受力及變形關鍵部位上，外貼應變片或安裝變形儀。通過實測特征值與理論計算結果對比，確定橋梁強度和剛度安全儲備系數，實現對橋梁承載能力的評估。但是從實際操作情況來看，這類方法的應用局限較大，不僅需要具有一定資格能力的工程師，而且最終檢測結果還有可能無法滿足橋梁安全需要。

3.2.2 最新橋梁健康狀態檢測

橋梁系統的功能特點。橋梁監測技系統是一個復雜化、綜合化的技術性系統，在操作的過程中包含橋梁關鍵部位的參數測量、測量數據信息的現場采集、指令和數據的遠程傳輸、數據信息存儲管理、橋梁結構安全狀態的評估預警。橋梁系統的功能特點具體表現在以下幾個方面：①橋梁監測系統由軟硬件共同組成，其中，硬件系統包含傳感器系統、數據采集管理系統、數據信息傳輸系統、數據分析系統；軟件系統主要是指對橋梁結構狀態和安全情況的評估。②通過安排在橋梁上的傳感器來獲取橋梁結構行為信息，從而實現對橋梁建設周圍溫度、風、交通、荷載情況的監測。③在測試技術和通訊技術的支持下實現對系統數據信息的網絡化共享。第二，橋梁健康狀態檢測技術特點。①確定橋梁基準狀態。橋梁結構基準狀態分為三種模型，分別是設計模型基準狀態、竣工模型基準狀態、營運基準狀態。考慮到大跨度橋梁施工的復雜，且容易出現實際狀態信息和預定信息不吻合的問題，為此可以應用大橋結構竣工試驗監測信息修正結構設計模型來獲取能夠反映工程竣工實際情況的修正模型。橋梁竣工狀態可以應用基于設計假定的模型修正方法來獲取，之后根據橋梁通車荷載試驗的動力實測數據、有限元計算結果打造有限元模型和竣工實測狀態在主梁豎向剛度和質量分布的誤差較小，由此證明應用精細有限元打造的主梁和拉索參數假定比較準確。②健康狀態的綜合評估。在對橋梁健康狀態進行綜合評估的時候需要將實際測量數據信息和規范標準或者沒有損傷的基準狀態數值進行比較，在比較之后制定相應的評估準則，從而幫助人們更加準確的評估出橋梁的實際健康狀態。考慮到外部多種因素對橋梁使用的影響，橋梁健康狀態綜合評估系統可以根據監測報警信息開啟橋梁健康狀態評估系統，通過系統的建設減少數據信息的處理時間。

4 結語

綜上所述，文章在闡述橋梁健康監測及安全評估和損傷診斷內容的基礎上，分析了橋梁健康狀態評估的層次分析法，并以某大橋運行的健康監測系統建設情況確定了基于層次分析法橋梁健康監測功能和基本技術路線，旨在能夠通過有效評估和分析更好的促進橋梁建設發展。