基于傳感器數據的橋梁結構安全狀態綜合評價

馮永泉

（佛山市公路工程質量監測有限責任公司，廣東 佛山 528313）

在橋梁安全監測中，各個截面位置數據對橋梁結構安全評定的影響程度有差異。選擇橋梁安全評估模型，基于海量實測數據來實現橋梁結構安全判斷，并針對判斷結果給出相應的策略是對橋梁結構進行安全評估的基本流程。橋梁結構安全狀態評估方法較多，如基于規范的常規評估方法、可靠度理論分析法、模糊綜合分析法等，國內一些學者基于此類方法獲得了較多的研究成果，已有研究成果結合了橋梁實測數據，但橋梁安全監測系統在對監測數據的處理、使用和分析問題上目前還存在著一些問題，如并未充分利用橋梁運營中海量監測信息來反應橋梁安全狀態等。為此，文章在以往橋梁安全評估指標的基礎上，篩選關鍵指標參數，通過布設傳感器實現數據融合，采用限值儲備量法就指標的位置特性計算測點權重，進行指標無量綱打分，最終獲得橋梁安全的等級。

1 安全狀態評價理論

（1）層次分析法理論層次分析法是基于逐層分解的決策問題，按照目標層、準則層、方案層等對其進行定性及定量分析的一種方法。層次分析法根據特定的程序對所選擇的評價指標按照分析過程進行計算，直到獲得各個因素的權重結果為止。所計算的權重值反映了指標的重要程度，權重值越大對應的因素越重要，就越受關注。

（2）基于數據監測指標的評語理論。

考慮測點位置差異時，需對不同測點數據進行量化處理，具體量化處理標準如下所示。

上式中，x-指標實測值，xmin、xmax-指標打分限值，可取二級預警閾值，x0’、x0-指標的最優范圍，可取一級預警閾值（95%保證率的統計值），對應評分為90分。

為將橋梁評分較低的關鍵部位損傷反應出來，需將原有關鍵指標的權重通過變權公式體現，具體如下：

上式中，V-指標最終評分，wj（0）-指標權重，xj-指標評分，α-變權系數，取α=0.2，該值可用于多數橋梁工程。

（3）橋梁安全評估評分理論。橋梁狀況指數劃分了五類橋梁結構完好程度，即A級（90～100分）、B級（80～89分）、C級（66～79分）、D級（0～65分）。

整個評分過程中，先對底層指標評分，依據傳感實測數據按照具體的評定規則進行，再依據指標權重逐級累計最終獲得整個橋梁的安全評分。

2 橋梁安全綜合評價指標及其權重

2.1 橋梁安全綜合評價指標體系

為科學評估橋梁安全狀態，基于研究對象的自身技術要求、監測內容、當地社會環境等因素，通過查閱20篇相關期刊、碩士論文及5篇橋梁結構安全檢測評估報告等內容初步確定了文章研究的評價因素內容。將橋梁監測指標分為環境指標及結構指標兩大類，包括應變、裂縫、撓度、加速度、傾角、位移、溫濕度。

目標層：基于傳感器數據的橋梁結構安全狀態；

一級指標：環境指標（B1）、結構指標（B2）；

二級指標（環境指標次級指標）：溫度監測B11、濕度監測B12；

二級指標（結構指標次級指標）：位移監測B21、撓度變形監測B22、裂縫監測B23、應力監測B24、振動監測B25、傾角監測B26。

2.2 綜合評價指標權重確定

結合層次分析法理論中因素對比界定結果，形成指標間的矩陣關系。B2因素比B1因素明顯重要，重要性標度為5。則可形成2個因素的比較矩陣，并且矩陣一致性檢驗滿足要求。

計算形成的比較矩陣向量值，其值為一級指標的權重大小。為便于計算，采用Matlab，結果為：

準則層指標權重：wB=（0.2，0.8）；同理可得二級指標因素的權重大小：wB1=（0.6，0.4），wB2=（0.188，0.182，0.176，0.193，0.142，0.126）。

2.3 基于傳感器數據下的底層評價指標權重確定

受到測點位置影響，不同測點處的數據對橋梁指標的評分影響會有差異，如跨中位移較支點位移數據對評價橋梁安全程度更具參考價值。文章結合傳感器實測數據，采用限值儲備量法、限值儲備度進行測定位置權重的判斷。

2.3.1 應變測點權重

采用限值儲備量法，基于海量測試數據篩選各個測點應變極值，再換算為對應的最大應力值，同時與混凝土抗拉強度極大值做差，差值結果即為各個測點的強度儲備值，進而構造相應的矩陣來獲得測點位置權重。

2.3.2 位移測點權重

《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG_3362-2018）中規定，預應力混凝土連續梁橋在各荷載組合下的撓度限值可采用1/600計算跨徑。故而可參考此規定獲得各個部位的位移測點規范限值。比如對跨中梁截面，可取1/600計算跨徑為位移規范限制，其余部分可按照線性插值求得，其中支座處限值可取1/8跨中限值。

采用限值儲備度法，將測點位移有限元計算值和規范限值二者作商，將商值構造重要性矩陣，再計算各位移測點的權重。

2.3.3 加速度測點權重

采用限制儲備度法，即將加速度實測值和規范限制作商，依據商值構造重要性矩陣，再計算各測點加速度的權重。

同理，均采用限制儲備度法獲取其他指標的權重。

3 橋梁安全評估實例

3.1 實例概況

3.1.1 橋跨信息

廣三高速公路雅瑤立交A匝道橋位于廣三高速公路起點處，跨越廣佛高速公路，是從廣三高速轉入廣佛高速的一座匝道橋。該橋全長1 001.64 m，橋跨組合為22×16 m預應力空心板+2×28.875 m預應力混凝土T形梁+（36+56+36）m預應力混凝土連續剛構+26.5 m預應力混凝土T形梁+21.75 m預應力混凝土T形梁+5×26.5 m預應力混凝土T形梁+15×16 m預應力空心板+26.5 m預應力混凝土T形梁+16 m預應力空心板組成。橋臺為輕型埋置式橋臺，鉆孔灌注樁基礎；橋墩為雙柱橋墩，鉆孔灌注樁基礎。

3.1.2 技術指標

（1）車輛荷載：汽車-超20級；掛車-120。（2）橋面總寬：9.6 m。（3）設計地震烈度：7度，地震動峰值加速度為0.15 g。

3.1.3 橋梁健康狀況監測內容

通過實時采集的安全監測數據，建立橋梁安全評價、預警模型，并通過安全預警系統記錄大橋與環境的作用，其中包括結構應力（應變）、撓度、橋墩傾角、振動等的影響。部分監測內容如下：

環境監測：橋梁所在地區的溫濕度、風向風速等；

位移監測：梁體的縱向位移；

裂縫監測：主梁上的裂縫；

振動監測：橋址處風荷載等隨機荷載以及交通荷載作用下激振引起的結構微小振動響應；

應力監測：橋梁運營狀態下梁體結構及橋墩結構的應力值。

3.1.4 現場評價指標內容測試

現場數據測試采用溫濕度傳感器、傾角傳感器、應力傳感器、振動傳感器、裂縫傳感器、動態撓度傳感器、應變采集儀等。選取多跨橋梁進行健康監測，布設多個監測點。

3.2 實例評估分析

（1）應變測點權重計算。對A匝道橋各應變測點的應變實測值進行統計，計算得到各測點的強度儲備量。應變測點的權重確定采用限值儲備量法。在計算各截面所占權重的過程中，將每個截面測點中的強度儲備量最小值作為該截面的強度儲備量。

選擇其中一跨進行計算，根據歷史數據統計得到的各應變測點的最優范圍、最值，再根據測點數據按照上述計算方法形成截面強度儲備。各截面的強度儲備量如下：

按照支座、1/4跨、跨中、3/4跨位置，上部測點的強度儲備值分別為：2.33 MPa、2.39 MPa、2.6 MPa、2.37 MPa；中部測點的強度儲備值分別為：2.27 MPa、2.32 MPa、2.51 MPa、2.3 MPa；下 部測點的強度儲備值分別為：2.01 MPa、2.12 MPa、2.28 MPa、2.08 MPa；儲備量最小值分別為：1.61 MPa、1.33 MPa、1.66 MPa、1.38 MPa。

得到各截面的強度儲備量后，構造層次分析判斷矩陣，對各截面的權重進行計算。各截面的重要性判斷矩陣為：

B集指標一致性檢驗結果：CR=0.011＜0.1，滿足要求。

計算判斷矩陣的向量值，即可得到二級指標的權重大小，這里采用Matlab計算，即：

準則層指標權重：wB12=（支座，1/4跨，跨中，3/4跨）=（0.135，0.225，0.378，0.26），在此不贅述計算過程，得到橋梁的各位移測點權重結果為：wB11=（支座，1/4跨，跨中，3/4跨）=（0.127，0.238，0.389，0.246）。各加速度測點權重結果：wB22=（支座，1/4跨，跨中，3/4跨）=（0.153，0.235，0.373，0.239）。

（2）安全評估。根據上述安全狀態評估準則，對該橋梁監測段2020年11月1～12月1日的監測數據進行安全狀態評估。以應變為例，先根據無量綱化評分模型，得到各位移測點的評分，即支座、1/4跨、跨中、3/4跨的評分分別為：93.2、92.7、98.6、96.9，再根據各個測點的權重求得均分為95.35分。

同理，其他的位移、加速度等不再贅述，最終獲得整個監測段的安全狀態結果。

4 小結

（1）根據A匝道橋橋梁健康狀況監測及結構安全預警系統技術方案篩選了包括應變、裂縫、撓度、加速度、傾角、位移、溫濕度在內的8項橋梁安全評價指標。

（2）考慮到不同測點的差異性，基于大量的傳感器實測數據，結合限值儲備量及限值儲備度法進行了不同截面的8項安全指標的權重分析，并獲得了各個指標的變權分數，再結合綜合指標權重求得了整個實例橋梁的變權總分，根據橋梁安全判斷準則將實例橋梁的安全判斷為良好等級。