结构监测领域的方法研究是当前学术界的热点，但其与工程领域的实际应用结合不够。因此，有必要在加强系统维护的基础上，开发切实有效的数据处理方法，精确评估桥梁安全状态。同时，编制全自动化的数据处理与在线识别软件，便于桥梁工程师方便快捷地以数据分析促进系统维护，以系统维护保障结构评估，随时监测服役状态下的桥梁安全状况，最大限度发挥现有结构监测系统功能，从而准确把握结构变化规律，动态评估结构健康状态，确保结构运营安全。
江苏交通控股有限公司（以下简称“江苏交控”）作为江苏省内长大桥梁管养数量最多的单位，且为国内最早建立结构监测系统的单位之一，早在1999年就建成了长大桥梁结构监测系统。截至目前，该系统已存储了海量数据，但由于结构监测数据分析侧重于实时数据处理，故对于监测历史数据价值的挖掘工作较少。随着监测系统不断融合车辆荷载、冲刷监测及除湿等数据，监测数据将呈爆炸式增长，同时长大桥梁管养单位对桥梁结构监测能力、突发事件认知
水平和监测预防能力的要求也不断提高。因此，未来开展海量数据清洗挖掘、多源数据相关性研究，进而掌握长大桥梁结构性能衰变、重载交通下结构性能变化等规律便显得越加重要。
作为江苏省长大桥隧健康监测数据中心（以下简称“数据中心”）的归口管理单位，江苏高速公路工程养护技术有限公司（以下简称“苏高技术公司”）对长大桥梁监测历史数据启动挖掘分析工作。2022年下半年，苏高技术公司以长大桥养护需求为导向，集中优势力量进行重难点技术攻关，同时联合数据中心成立跨部门攻关研究组（以下简称“研究组”），以充分发挥养护专业人员与智能化人员专业特长，深挖监测历史数据内在规律。研究组从养护专业的物理概念及大数据统计分析两个方向着手，抽丝剥茧、层层解剖，深层次探索历史数据间的关联性，并以长大桥养护需求指引大数据分析探索方向，以大数据分析手段进一步明确长大桥梁监测数据参数指标规律，分析选取了江苏交控系统内两座典型大桥的近10年监测数据，历时半年完成初步挖掘探索工作。
过程中，在结构监测历史数据挖掘方向、方法不明朗的前提下，研究组开展多次探索尝试，最终证明了作用-变形指标标准场的可行性。研究共分3个阶段，前期进行历史数据梳理与算法优化，开展面向长期趋势分析的异常数据清洗；在此基础上，中期进行结构温度、变形、位移类指标长期变化趋势分析，并根据数值分布特点建立概率模型，初步实现了结构响应发生概率预测；最后，根据结构响应与外界作用的相关性，探索建立了主梁横向位移与风速的标准场及梁端纵向位移与结构温度的标准场，可在某一风速、某一温度下，评估主梁横向、纵向位移概率分布，实现了对变形指标响应的范围预测。
/ 数据梳理与清洗 /
传感器与传输系统设备故障、接触故障、电磁干扰等问题，常常造成结构监测系统采集到大量异常数据，如不对此类数据予以识别、剔除或修补，一旦直接应用于后续分析，必然会极大干扰评估结果准确性。因此，为有效利用测试数据中所包含结构描述、监测系统当前状态的有用信息，须对桥梁结构监测数据进行预处理，从而消除监测数据中的测试误差，这是对监测数据进行后续分析，进而诊断监测系统的基础。根据已完成的大量数据分析工作，桥梁结构监测中主要存在的数据异常包括：数据缺失、数据漂移、长周干扰、非一致异点（跳点）、弱噪声干扰、无法消除的强噪声，以及其他难以快速识别和消除的数据异常。
研究组首先开展数据梳理与清洗工作，进一步提高了数据梳理的准确性和效率。对因各类异常导致的数据跳点、阶段跳跃、超量程、随机漂移进行分析，通过采用自动清洗方法可大概率实现前三者的清洗，至于随机漂移，由于目前缺乏有效的自动化和算法手段，只能采用手动清洗的方法。在数据自动清洗方法上，研究组提出基于鲁棒性分析的数据梳理清洗算法，用于处理数据跳点、阶段跳跃、超量程3类数据异常。该算法首先通过异常数据搜寻，解决了人工搜寻异常数据效率低的问题；其次能够识别离群异常数据段，解决简单阀值无法滤除的异常数据难题，并将异常数据段拉回正常位置，排除干扰，实现异常数据回落处理，进而解决数据修复问题。经处理后的数据，可反映结构真实状态，通过统计将处理后的数据输出，可解决统计值错误影响结论的问题。
/ 长期趋势分析 /
根据目前大跨径桥梁振动效应、变形效应研究的发展趋势，为满足各地区大跨径桥梁日益增长的建设需求及其运营阶段的安全保障需求，掌握大跨径桥梁所处风场规律并了解风速对桥梁主梁、索塔振动及主梁、索塔位移的影响，是目前桥梁风工程界的研究热点之一。
依托江苏交控系统内两座典型大桥的近10年数据，研究组开展了结构关键指标长期变化趋势分析及多指标趋势统计，不仅基于同环境、同期对比分析了两座大桥的结构温度、风速、位移数据，在风场长期变化趋势上，还对两座大桥受到的风速影响进行统计。根据历年的两分钟平均风速极值数据，研究组得到塔顶和跨中风速极值的均值、均方差，分析发现风速极值等因素均服从正态分布规律；通过建立风速超越概率模型，可初步预测未来大桥塔顶及桥面风速达到各级风的概率。
在大桥温度场方面，研究组对两座大桥多年有效结构温度的变化情况进行了统计分析，数据整体服从正态分布规律。通过形成的概率模型对1年结构高低温超越概率分析可知，大桥结构温度发生高温报警的概率大于低温报警。
在大桥结构整体变形方面，研究组统计了各大桥索塔、跨中挠度极值、均值的分布规律，并集中考虑了温度趋势和剔除温度趋势两种情况。对比大桥每年车辆通行梁数据可知，大桥挠度与车流量变化量基本保持正比例关系，大桥跨中挠度在同环境下基本保持一致，由此表明大桥整体刚度未发生显著衰减。同时，研究组发现，去除温度趋势后的跨中挠度并不符合正态分布规律，索塔和主梁挠度均服从卡方部分，尤其在去除温度趋势后，结构变形主要由风场引起的主梁脉动与交通荷载决定，而这两者均服从正态分布。
这也说明，在大桥长期挠度统计中，温度影响占比非常大，如果不对其剔除，很可能影响结论判断与规律探索。另外，梁端位移是反映大桥伸缩缝工作状态的一个重要指标，近年来，大桥伸缩缝病害发生层出不穷，研究中对两座大桥的伸缩缝变形常年变化趋势进行了分析，总体上大桥梁端位移表现出随温度变化的显著趋势，且梁端位移总体服从正态分布。
/ 关键指标标准场分析 /
大跨径索承桥梁结构体系应具备足够的抗风强度、抗风刚度和抗风稳定性，保证成桥状态下，桥梁不会发生风致静动力失稳、强度和刚度发生破坏，桥梁的风致振动不会影响行车安全、结构疲劳和使用舒适性。根据《公路悬索桥设计规范》（JTGT D 65-05-2015）第 5.2.12 条的规定：加劲梁在风荷载作用下，最大横向位移不宜大于跨径的1/150。而风荷载是导致主梁发生横向位移的主要作用力，鉴于此，一方面监测跨中风速，另一方面基于跨中风场特性，构建“风速-跨中”横向位移关系，对于实时掌握大桥主梁刚度、稳定性状态，实现强风条件下主梁安全预警十分必要。研究组通过借助数据清洗、平滑处理等手段，统计近年来两座大桥主跨跨中横桥向风速数据及跨中横向桥主梁位移数据，提取出结构主梁10分钟静风压下的横向位移响应，并由此构建出不同风速等级下的主梁横向位移概率分布标准场。
标准场的建立工作需要反复不断地尝试，在本项工作开展前，需要对长周期数据接力、各指标相关性分析、相关性数据异常甄别与处理、筛选强相关性指标、标准场颗粒度等工作进行确定。研究组前期在长周期数据接力、相关性分析方面具备一定的技术基础，而后几项工作则在本研究开展过程中进行了反复尝试。本次研究确立了两个单影响因素标准场，分别为主梁跨中横向位移标准场和梁端纵向位移标准场。在风场影响方面，研究组首先建立了主梁横向位移-风场相关模型，其中横向位移正值表示向上游侧的位移，负值为向下游侧的位移。研究组发现，主梁横向位移-风场（横桥向风速）服从双指数函数变化规律。
基于相关性分析结果，研究组以颗粒度每秒1米的风速水平为区间，建立了10分钟均值下的主梁横向位移-风速等级标准场，并划分32个风力等级。在不同风力等级下，主梁横向位移指标散点分布多趋向于正态分布，在确定的风速等级下，通过概率分布参数可进一步确定主梁横向位移大于某一位移水平的概率。
建立梁端位移-结构温度概率标准场，首先要解决梁端位移关于结构温度的滞后效应。因此，研究组经统计多年数据得到大气温度峰值时滞平均值和位移滞后时长主要分布值，再采用时序数据相关性分析方法消除时滞效应，同时提升基于温度评估梁端位移的准确性。研究组还建立了主梁梁端位移-结构有效温度的相关模型，分析得出，主梁梁端位移-结构有效温度服从考虑温度滞后效应的线形变化规律。基于以上相关性分析结果，以颗粒度3摄氏度有效温度水平为结构区间，建立大桥主桥1小时均值下的主梁梁端位移-结构温度等级标准场，并划分20个结构温度等级。在各等级下，主梁梁端位移指标散点分布多趋向于正态分布，在确定的结构温度等级下，通过概率分布参数可进一步确定主梁梁端位移大于某一位移水平的概率。
/ 后续工作展望 /
根据交通运输部相关文件指示，到“十四五”末，全国将有600余座长大桥梁建立结构监测系统，用于采集海量数据。但要从海量监测数据中挖掘出对桥梁养护和安全评估有用的信息，须不断投入人力物力深入研究分析和开发相关算法。下一步，研究组将在既有工作基础上，继续进行长大桥梁结构监测历史数据探索挖掘工作，以期进一步解决数据梳理、数据清洗及长期趋势分析的技术难题，构建多因素概率标准场，为深入开展多源数据相关性研究，探索结构性能衰变及重载交通下结构性能变化规律夯实基础。
江苏高速公路工程养护技术有限公司
