基于檢測大數據的既有橋梁病害關聯分析與技術狀況預測

曾過生、陳德華

（廣東省高速公路有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

鑒于改擴建橋梁新、舊橋可能存在的差異壽命的問題，有必要明確既有橋梁實際結構性能、結構退化差異，并預測橋梁技術狀況，便于養護周期及養護策略的制定[1-2]。

眾多學者對既有橋梁的病害特征及技術狀況預測展開一定的研究。洪衛星等[3]通過對橋梁檢測數據的多維度分析，研究了高速公路橋梁關鍵病害與環境等外因的關系。張陽等[4]基于多階段的馬爾可夫鏈相關理論，利用空心板橋歷年檢查評定數據建立了橋梁技術狀況退化模型。姚文凡等[5]利用橋梁集群檢測數據對322 座橋梁的病害特征進行分析，構建病害評價指標，建立了橋梁病害與巡檢行為的關聯關系。

依托茂湛高速公路橋梁病害檢查數據，采用大數據方法分析線路既有橋梁技術狀況、病害等數據；對改擴建橋梁病害關聯性分析，獲取典型病害間及其與橋梁間的關聯性；建立既有橋梁技術狀況多階段退化模型，預測橋梁技術狀況。

1 改擴建病害數據分析

對橋梁定期檢查報告記錄的檢測數據進行分析，研究各線路中不同橋型、跨徑及橋梁病害的分布規律。

1.1 檢測數據基礎

依托沈海高速公路茂湛段，對廣東省典型高速公路的橋梁定期檢查數據進行深層次挖掘應用。其中，橋梁定期檢查數據時間包括2010—2020 年，每2 年1次，共6 次。

1.2 橋梁病害數據預處理

1.2.1 數據的選取

數據挖掘選取直接關系到挖掘結果的可靠性，橋梁定期檢查報告中包含橋面系、上部結構、下部結構的病害檢查結果及分析等。但對于改擴建工程，既有橋梁上的橋面系結構需重新布設，在對既有橋梁數據分析的過程中，僅分析上部結構、下部結構的相關病害情況。

1.2.2 數據的清洗

對橋梁定期檢查報告中存在的重復、缺失的檢測數據進行剔除，采用以下方法：一是空缺數據的處理，忽略或選擇性刪掉缺失嚴重的數據。二是替換對應值。對某一病害常采用定性表述，以數據值“-1”表征此數據項不為缺項。

1.2.3 數據的集成

同一部件可能存在多種病害，導致定期檢查中同一座橋梁有多條同類型病害記錄，主要采取以下方法處理：一是合并同座橋梁同一部件病害標度較高的記錄，忽略其他低標度病害記錄。二是簡化相似記錄，以提高數據分析效率。

1.2.4 數據的轉換

采用MATLAB 對廣東省典型高速路段的橋梁檢查評定大數據進行分析，并轉化為計算可識別的數值類型進行統一標準化處理。

1.3 橋梁結構形式與技術狀況統計分析

1.3.1 橋涵結構形式統計分析

茂湛高速公路共計313 座橋，不同跨徑橋梁的比例見圖1，不同結構形式的比例見圖2。

圖1 茂湛高速公路橋梁最大跨徑的比例

圖2 茂湛高速公路橋梁結構形式比例

由統計結果可知，茂湛高速公路中以單跨橋梁為主，占比較多的橋梁最多為單跨最大跨徑5m、8m 的橋梁，其次為單跨最大跨徑16m 的橋梁。茂湛高速公路上部結構以梁式橋梁為主，其中預制空心板梁橋、整體式現澆板梁橋共計占比80.5%，而下部結構中橋臺的類型大多為薄壁式橋臺、樁柱式橋臺。

1.3.2 橋梁技術狀況統計分析

茂湛高速公路橋梁歷年技術狀況等級統計結果，見圖3。

圖3 茂湛高速橋梁技術狀況等級變化情況

可知，各年茂湛高速公路的橋梁大多為一類橋或二類橋，未出現四類或五類等級的橋梁；該高速路段一類橋梁數量逐漸減少，而二類橋梁逐漸增多，可認為該路段橋梁性能總體較好，但呈現一定的退化趨勢。

1.4 既有橋梁病害統計分析

1.4.1 不同橋型病害類型統計分析

對茂湛高速內占比較多的261 座中小跨徑橋梁進行病害情況統計，以預制空心板梁橋（共139 座）為例（見圖4），可知：預制空心板梁橋的結構整體性略次，其裂縫類的病害大多為“裂縫寬度δ＜0.15mm”的病害，但該類病害橋梁數的增加變化規律不明顯。混凝土破損類、鋼筋銹蝕類病害的橋梁數呈現明顯增長的趨勢，甚至在2020 年空心板梁橋鋼筋銹蝕類病害的橋梁數達到各類橋梁總數的50%，可認為該類橋梁病害呈現明顯惡化的趨勢。此外，存在環境侵蝕類病害的橋梁數總體偏多，雖呈現總體減少趨勢，但仍可能是引起橋梁病害惡化的誘因。

圖4 茂湛高速公路預制空心板梁橋主梁結構病害類型分析

1.4.2 不同跨徑橋梁病害類型統計分析

根據不同橋梁最大跨徑，對茂湛高速中小跨徑橋梁病害分類分析。由統計結果分析可知：小跨徑橋梁（l＜13m）混凝土開裂現象明顯，但多為小于0.15mm的微裂縫，但總體而言裂縫寬度、混凝土破損病害與跨徑大小的關系不明顯。出現鋼筋銹蝕的橋梁多為小跨徑橋梁（l＜13m），與其易出現混凝土開裂（δ ＜0.15mm）相對應。其受環境侵蝕的比例也較大，這可能也是引起該類橋梁鋼筋銹蝕比例較大的原因。

2 改擴建橋梁病害關聯分析

利用關聯規則算法，分別對茂湛高速上部承重結構、下部墩臺結構進行單因素、多因素病害關聯分析，可知：

上部結構中，混凝土裂縫類病害、鋼筋銹蝕類病害易引起病害惡化；多類病害均會引起橋梁上部承重構件混凝土較小裂縫（δ ＜0.15mm）；混凝土破損類病害會導致上部承重構件較小裂縫（δ ＜0.15mm）、鋼筋銹蝕類病害現象。因此，在茂湛高速公路橋梁上部結構養護管理過程中，應注意混凝土破損病害的修復。

下部結構中，各類混凝土、鋼筋病害均會引起橋梁下部墩臺結構的性能退化；較大裂縫、混凝土破損類病害、鋼筋銹蝕類病害均會引起橋梁下部墩臺構件混凝土較小裂縫的出現；較大裂縫、鋼筋銹蝕類病害均會引起橋梁下部墩臺構件鋼筋銹蝕類病害的出現，且在兩者耦合作用下極易引起墩臺結構的退化。

3 改擴建橋梁技術狀況預測

依托茂湛高速公路，基于馬爾可夫鏈對典型橋梁和路段分別進行項目級、線路級改擴建橋梁技術狀況預測。

3.1 項目級橋梁技術狀況預測

以茂湛高速K3376+016 小橋右幅為例，項目級轉化概率矩陣如下所示：

計算驗證提出的項目級轉化概率矩陣，見圖5。計算可知，2022 年橋梁仍為二類橋且退化至三類橋的概率大致為38.01%，與實際檢測結果基本吻合。

圖5 項目級轉化概率矩陣驗證結果

3.2 線路級橋梁技術狀況預測

將茂湛高速上全部中小跨徑橋梁作為新的統計母體，根據最近一次定期檢查評定確定初始狀態矩陣π(0)={0.0890,0.9110,0,0,0} ；并 基 于2010—2020 年 技術狀況確定概率轉移矩陣，如下：

可求得茂湛高速公路2022 年線路級橋梁技術狀況狀態期望值為2.0926，處于良好水平，與線路實際情況接近。預測5 年后線路級橋梁技術狀況等級期望值為2.2254，仍處于良好水平，需不斷提高養護管養力度，提高整條路線養護水平和通行服務水平。

4 結論

依托茂湛高速既有橋梁歷年檢測數據，利用MATLAB 對橋梁病害及其關聯關系進行深入分析與挖掘，并基于馬爾可夫鏈對改擴建高速既有橋梁技術狀況進行多層次預測。主要結論如下：

一是茂湛高速公路以5～8m 板梁橋為主，該路段橋梁性能總體較好，但呈現一定退化趨勢；病害主要以裂縫寬度δ＜0.15mm、混凝土破損為主，環境侵蝕可能是橋梁病害惡化誘因。

二是上部結構的養護管理應注意混凝土破損病害的修復，下部結構的養護管理應注意較大裂縫、鋼筋銹蝕類病害對墩柱退化的耦合作用。

三是構建的轉化概率矩陣可用于茂湛高速橋梁技術狀況預測，且與實際檢測結果吻合度較高，預測5年后橋梁技術狀況處于良好水平，但仍需不斷提高養護管養力度。