桥梁结构的健康监测与评定
2015-07-02
1.桥梁健康监测的现状
桥梁是国家交通运输体系中的重要组成部分，大型桥梁的兴建对地区经济发展往往具有重要意义。建国以来已经修建了数量众多、规模各异的桥梁，这些桥梁往往都成为交通网络中的关键部分。一旦发生桥梁损毁事故，造成的后果往往都比较严重。桥梁健康状况的监测可以对桥梁的运行状况做及时的了解和预测，对于预防桥梁损毁事故显得尤为重要。从当前桥梁健康监测的目的来看，主要可以分为两类，一是出于对桥梁运行状况的实时掌握，二是通过对桥梁各种变形数据的监测来进一步的掌握新型桥梁的设计理念。这两类桥梁监测目的都需要依赖于一定的硬件和软件系统来完成。一般而言，桥梁健康监测系统由四个主要部分组成：传感器、数据采集与传输系统、数据处理与分析系统、安全评估系统，分别实现从桥梁运行实时数据的采集、传输、处理和评估。国内对桥梁健康监测技术的研究相对较晚，因此对桥梁健康监测这四个基本系统的研究还并不普及。在20世纪90年代启动对桥梁的健康监测以来，监测系统大多设置在大型桥梁上，对普通桥梁的健康监测还不够完善。其中最重要的是数据采集系统得到的数据的分析方法上的研究不够深入，对桥梁健康状况的评估方法不够完善。因此本文将就桥梁健康状况的评估方法展开讨论。
2.桥梁健康状况的评估方法
在组成桥梁健康监测系统的四个主要部分中，前面三个都是数据采集和初步的处理，关键是第四部分，即对这些实测数据的使用，也就是对桥梁健康状况的综合评估。这是当前桥梁研究的难点问题之一。
2.1桥梁健康基准数据的计算方法
桥梁健康状况评估的基本思路是将实测数据与桥梁的健康基准数据进行对比分析，类似于人体健康体检。而桥梁健康基准数据的获取也是一个值得深入研究的问题，目前较为普遍的方法是采用有限元法进行模拟，模拟方法主要有以下三种形式：
2.1.1设计标准模型
这类方法是以桥梁设计时的数据作为基准，以设计图纸所提供的基本参数来建立有限元模型，通过模拟计算来得到桥梁各关键部位上的基准参考数据，这类模拟方法所得到的桥梁健康基准数据较为理想化。
2.1.2竣工基准模型
这类模型考虑到桥梁设计图纸和实际施工之间的差异，因此以桥梁在竣工后的实际数据来作为有限元模拟的基础数据，从而得到桥梁健康基准参考数据。
2.1.3动态基准模型
这类模型的思路是以桥梁近期的安全状况数据作为监测桥梁当前健康状况评估的基准数据。在获得了桥梁健康基准数据后，经过一定的方法来对比分析桥梁实时监测数据便可进行桥梁的健康状况评定。
2.2桥梁健康状况的综合评定方法
在获得桥梁健康的基准数据后，便可通过一定的方法来实现对桥梁健康状况的评定。评定方法主要以所采用的数学模型的差异来划分，主要有以下4种主要的评定方法：①模糊综合评定法 这类评定方法利用实测数据和专业人员的经验，将数据进行模糊化的处理，利用模糊评判方法综合考虑桥梁运行中的不确定因素，从而得出桥梁的健康状况评定结果；②灰关联评价方法 这种综合评价方法认为桥梁的实测数据具有灰色性，部分信息已知而部分信息未知，利用灰色系统理论来综合评判数据采集系统获得的桥梁运行数据；③神经网络推理法 这类方法利用人工神经网络的推理机制来对桥梁监测数据进行推理和评判；④德尔菲法 这类方法是利用专家预测的方式，经过若干轮次的数据反馈和专家分析，最终得到较为统一的评判结果。
本文将在上述几类评判方法的基础上研究一种基于静力识别的统计对比诊断的桥梁健康状况评定方法。
3.桥梁健康状况的统计对比诊断法研究
3.1基本原理
桥梁在投入使用后的健康状况和设计水平有关，也和运行环境有关。设计时的条件和实际运行中的条件构成了一组基本的对比关系。统计对比诊断法的原理就是以这种基本的对比关系为基础，具体实施步骤如下：①统计桥梁在正常使用中的健康状态运行数据，重点收集桥梁在运行中的环境因素和桥梁结构响应标量之间的数据样本；②通过对监测系统收集到的桥梁运行数据的统计分析，建立起桥梁结构响应变量和环境因素之间的函数关系；③利用步骤2建立的函数关系，将桥梁实际运行中的得到的环境变量作为输入，通过函数关系的计算得到桥梁结构的响应量预测值；④计算桥梁结构响应预测值与实测值之间的差值；⑤通过分析差值与诊断标准之间的差异来评判桥梁的健康状况。
3.2模型的建立
3.2.1桥梁结构响应量与因变量之间的函数关系
桥梁结构的响应量取以下几类：结构应变值、结构挠度、桥梁支座位移量和桥梁自振频率。因变量取以下两类：桥梁荷载、环境温度、湿度等。设桥梁结构响应量与因变量之间的预测函数关系为R=f(x,y,…z)，R为桥梁结构的响应量，x,y,…z为因变量。由该函数关系可见，这是一个多因多果的对应关系，因此可以在大量实测数据的的基础上利用多元统计分析原理来建立起函数关系，本文中采用最小二乘法来进行这些因素之间的多元回归统计分析的计算。
3.2.2评估方法
在完成第一步所需的预测函数后，将实测的因变量带入该函数中，分别计算桥梁各结构响应量的函数预测值，再将预测值与桥梁结构的实测响应量进行统计对比分析，设桥梁各结构响应量的函数预测值为X’，桥梁结构的实测响应量为X，允许偏差的临界值为ε1,ε2，且有ε1＜ε2，则可根据预测值与实测值之间的差异来评判桥梁结构的健康状况，分为以下3种基本的情形：①X’-X≤ε1说明预测值与实测值之间的差异在允许范围之内，桥梁结构的健康状况理想；②ε1＜X’-X≤ε2说明预测值与实测值之间的差异大于理想状况是允许误差，但仍然在正常运行范围之内；③X’-X＞ε2说明预测值与实测值之间的差异较大，已经超出了允许的范围，应当对桥梁健康状况进行实地结构检查来确定桥梁运行的状况。
由此可见，临界值ε1,ε2的物理意义是桥梁结构运行健康状况的分级报警临界值。因此应用统计对比方法来评判桥梁的健康状况的关键是合理确定这两类临界值。在确定这两类临界值时按如下方法进行：①ε1借鉴铁路桥梁相关规范中的“通常值”的概念，以对桥梁建成后处于完好状态下的结构响应数据为依据，并通过与结构响应预测函数的输出值之间的数据分析做对比综合确定ε1；②ε2从定义中可以看出ε2是一类安全预警的临界值。因此在确定ε2时主要考虑国家相关规范中对桥梁结构各部分在荷载下安全阈值，如结构的容许应力、容许挠度、最大振幅等。相对于ε1的确定方法，ε2的确定更为复杂。由于ε2表征的是桥梁即将进入危险状况下的临界值，而何种状态属于危险状况需要多方综合评定，因此ε2的确定和国家规范、技术经济等因素都有关系，要综合考虑后才能确定。根据笔者经验和桥梁健康监测和评定的实际需要，建议以国家规范为基础，结合桥梁的设计资料，对桥梁在完全健康状况下做动载和静载分析后的数据来综合确定ε2。
