基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)剛構(gòu)橋梁“零活載點(diǎn)”識(shí)別方法

吳海軍，韋 躍，黃友幫，王身寧，周志祥

(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

完整的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)一般包括數(shù)據(jù)測量采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)。對(duì)橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理可簡單地分為兩種情況，即在線分析和離線分析［1］。

20世紀(jì)80年代到90年代初期，我國的橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理主要采用離線分析方法。由于受多種條件的限制，對(duì)長期觀測所得到的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，工程管理單位一般難以將分析結(jié)果及時(shí)用于監(jiān)控橋梁的安全營運(yùn)，也就不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患。因此，橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的在線分析已經(jīng)成為橋梁安全評(píng)估的重要問題。

1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理的任務(wù)

橋梁健康監(jiān)測的目的是為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁的安全隱患。因此，數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)應(yīng)能及時(shí)有效地從監(jiān)測數(shù)據(jù)中尋找出異常值，判斷異常值產(chǎn)生的原因，根據(jù)原因做出進(jìn)一步處理，并對(duì)橋梁的健康狀態(tài)做出合理評(píng)價(jià)。

監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理的主要任務(wù)是準(zhǔn)確而有效地識(shí)別觀測異常值，捕捉橋梁可能產(chǎn)生病變的線索，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)判，分析產(chǎn)生數(shù)據(jù)異常的原因，從而為準(zhǔn)確地診斷橋梁的健康狀態(tài)提供可靠依據(jù)［2-3］。

2 識(shí)別實(shí)測數(shù)據(jù)“零活載點(diǎn)”的原理

2.1 識(shí)別“零活載點(diǎn)”的意義

目前很多橋梁未配置橋頭收費(fèi)站或者治超站，因此未安裝車輛稱重系統(tǒng)。即便部分橋梁安裝了稱重系統(tǒng)，車輛稱重時(shí)受車速等因素影響對(duì)于稱重結(jié)果也有較大影響。因此，在實(shí)際情況下就很難掌握車輛實(shí)際重量及實(shí)際活載分布情況［4］。

由于受多種不確定因素的共同疊加作用，橋梁運(yùn)營期間的結(jié)構(gòu)實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)包括了活載、溫度、監(jiān)測儀器零漂、溫漂偏差等。如何分析各個(gè)因素的實(shí)際影響一直是橋梁監(jiān)測評(píng)估中的難題。為識(shí)別活載對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響，需要預(yù)先找到一種結(jié)構(gòu)上不存在活載的狀態(tài)，即“零活載點(diǎn)”，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)與“零活載點(diǎn)”數(shù)據(jù)的相對(duì)變化來反映活載的實(shí)際影響。多數(shù)橋梁在監(jiān)測數(shù)據(jù)分析時(shí)會(huì)將監(jiān)測儀器安裝后的某個(gè)沒有汽車荷載的狀態(tài)記為“零活載點(diǎn)”或“基準(zhǔn)點(diǎn)”，由于溫度作用的復(fù)雜性，這種方法難以準(zhǔn)確把握溫度及儀器漂移帶來的問題。

為了運(yùn)用這兩個(gè)條件求線段長且確保60°角的完整性，自然想到過點(diǎn)A作AF⊥BC，垂足為F，則注意到D為BC的中點(diǎn)，因而過點(diǎn)D作DG⊥BC，構(gòu)造直角三角形DEG也就呼之欲出了(如圖2)．由三角形的中位線定理易知故問題就轉(zhuǎn)化求EG的長．

在橋梁健康監(jiān)測時(shí)，對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的去除噪聲問題一直是關(guān)系到數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。對(duì)于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)而言，由于溫度和傳感器系統(tǒng)累計(jì)誤差等因素的影響，使得實(shí)測數(shù)據(jù)的時(shí)間累積誤差效應(yīng)更為顯著。溫度產(chǎn)生的溫漂和傳感器系統(tǒng)產(chǎn)生的零漂等對(duì)于實(shí)測數(shù)據(jù)的影響是一個(gè)隨時(shí)間長期積累的過程量。因此，筆者提出通過每天確定一個(gè)零活載點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)來處理實(shí)際的監(jiān)測數(shù)據(jù)。對(duì)于剛剛建成不久的橋梁，這樣可以減少了預(yù)應(yīng)力損失、混凝土收縮、徐變和壞境變化等因素對(duì)于監(jiān)測數(shù)據(jù)的累積影響;對(duì)于運(yùn)營時(shí)間較長、預(yù)應(yīng)力損失和混凝土收縮、徐變效應(yīng)已不太明顯的橋梁，可以大大減少了溫漂和零漂等因素對(duì)于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的時(shí)間累積誤差。

通過這種方法，可以過濾部分系統(tǒng)累積誤差，消除部分溫度因素影響，從而得到更為真實(shí)的活載作用監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.2 識(shí)別“零活載點(diǎn)”的基本原理

橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營期內(nèi)所承受的荷載除了自重外，主要是車輛荷載和溫度荷載。在橋梁的監(jiān)測數(shù)據(jù)中活載和溫度是引起監(jiān)測數(shù)據(jù)變化的主要作用，其中活載是引起橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的主要因素。

在各種橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)中，應(yīng)力和撓度能夠直觀反映結(jié)構(gòu)性能變化的監(jiān)測參數(shù)，也是監(jiān)測數(shù)據(jù)處理時(shí)受到廣泛關(guān)注的監(jiān)測量。由于撓度反映的是結(jié)構(gòu)總體性能，對(duì)橋梁多數(shù)損傷變化不敏感，而且混凝土梁橋的剛度一般不成為在用橋梁的主要問題，因此筆者主要分析研究應(yīng)力數(shù)據(jù)的分析問題。

根據(jù)混凝土橋梁受溫度影響的規(guī)律，可以考慮將每天中橋梁各部分溫度穩(wěn)定且橋梁與大氣溫差小的無活載時(shí)刻作為“零活載點(diǎn)”［4］。通過對(duì)有關(guān)混凝土橋梁大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，可選擇每天夜間至凌晨時(shí)間段的監(jiān)測數(shù)據(jù)來識(shí)別“零活載點(diǎn)”，此時(shí)間段的箱內(nèi)外溫差和日照溫差對(duì)橋梁應(yīng)力的影響最小，同時(shí)此時(shí)段也是每天橋上車流量相對(duì)較少的時(shí)段，容易找到?jīng)]有活載的時(shí)刻。

通過每天識(shí)別“零活載點(diǎn)”作為當(dāng)天監(jiān)測數(shù)據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)來處理每天的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而明顯減少了預(yù)應(yīng)力損失、混凝土收縮、徐變和環(huán)境變化等時(shí)變因素對(duì)于監(jiān)測數(shù)據(jù)的累積影響，也大大減少和消除了零漂和溫漂等因素對(duì)于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的時(shí)間累積影響。因此，通過此方法可以為基于活載影響的橋梁健康狀態(tài)的評(píng)判提供良好的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 江津長江大橋健康監(jiān)測概況

江津長江公路大橋建成于1997年，主橋跨徑布置為140 m+240 m+140 m的大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋(圖1)。大橋主橋凈寬21.5 m，雙向4車道(行車道寬度4×3.75 m，中間分隔帶為1.5 m，人行道2×2.0 m，隔離墩2 ×0.5 m)。設(shè)計(jì)荷載:汽-超 20 級(jí)，掛-120、人群 3.5 kN/m2。

圖1 江津長江公路大橋主橋橋型布置(單位:cm)Fig.1 Bridge layout of Jiangjin Yangtze River Highway Bridge

該橋運(yùn)營12 a后，于2009年安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)，在關(guān)鍵截面布置了應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)(圖2～圖4)和裂縫監(jiān)測系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)全橋箱梁內(nèi)外的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖2 應(yīng)變計(jì)布置立面(單位:cm)Fig.2 Elevation layout of strain gage

圖3 應(yīng)變計(jì)A-A布置立面(單位:cm)Fig.3 Layout of section A-A strain gauge

圖4 C-C截面應(yīng)變計(jì)布置(單位:cm)Fig.4 Layout of section C-C strain gauge

4 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)“零活載點(diǎn)”識(shí)別方法

4.1 當(dāng)前分離活載影響方法

在應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)中分離出汽車荷載產(chǎn)生的應(yīng)力變化對(duì)于橋梁的損傷識(shí)別尤為重要。但是目前的分離方法較少，且有一定的局限性。例如移動(dòng)平均法［5-6］，它是用一組最近的實(shí)際數(shù)據(jù)值來預(yù)測未來一期或幾期數(shù)據(jù)的一種常用方法。采用移動(dòng)平均法適合于即期預(yù)測，當(dāng)數(shù)據(jù)保持平穩(wěn)時(shí)，移動(dòng)平均法能夠有效消除數(shù)據(jù)的隨機(jī)誤差。但該方法使用有局限性，無法分離出超重車過橋時(shí)對(duì)橋梁的應(yīng)力變化。因此，需要更為合理有效的活載分離方法。

4.2 江津大橋溫度分布規(guī)律

對(duì)于江津大橋等寬幅大跨度混凝土橋梁，箱梁截面尺寸較大，橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)受日照溫度影響也較大。這種影響反映在3個(gè)方面:①箱梁整體內(nèi)外溫差;②箱梁豎向溫差;③箱梁橫向、縱向溫差［7-8］。

對(duì)于公路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱型梁橋，其橫向、縱向溫度梯度不大，造成的溫度效應(yīng)不明顯，由豎向溫度梯度引起的溫度應(yīng)力較大，在對(duì)于實(shí)測數(shù)據(jù)處理中需特別注意這點(diǎn)［9-10］。

因此，根據(jù)本橋大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，得到了江津大橋所在地區(qū)的環(huán)境溫度趨勢:①最高溫度一般出現(xiàn)在13:00—15:00，混凝土各測點(diǎn)最高溫度一般出現(xiàn)在14:00—18:00;②在18:00—22:00時(shí)間段內(nèi)箱梁溫度降溫較快，之后處于一個(gè)較緩慢的散熱過程中，到凌晨2:00—4:00環(huán)境溫度與箱梁各測點(diǎn)溫度比較一致，溫差最小，溫度處于一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

4.3 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的零活載點(diǎn)識(shí)別方法

根據(jù)第2節(jié)基本原理對(duì)于“零活載點(diǎn)”的識(shí)別，將根據(jù)實(shí)測的應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)以及日常生活橋梁交通量的規(guī)律，并結(jié)合上面討論的溫度對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)的影響，找到運(yùn)行橋梁的近似“零活載點(diǎn)”狀態(tài)。

通過對(duì)本橋大量溫度及應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，筆者選擇每天的凌晨2:00—4:00實(shí)測數(shù)據(jù)來確定“零活載點(diǎn)”。此時(shí)間段，箱內(nèi)外溫差和日照溫差對(duì)于應(yīng)力等數(shù)據(jù)的影響最小，同時(shí)此時(shí)段也是每天橋上車流量相對(duì)較少的時(shí)段，容易找到“零活載點(diǎn)”時(shí)刻。

根據(jù)連續(xù)剛構(gòu)橋梁的受力特性，當(dāng)橋梁跨中有車輛經(jīng)過時(shí)，跨中上緣受壓、下緣受拉，并且跨中下?lián)狭吭黾?。在現(xiàn)有江津大橋的健康監(jiān)控系統(tǒng)中，在跨中的頂板和底板均布置了應(yīng)變計(jì)(圖2)。根據(jù)上述的受力規(guī)律，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，在預(yù)定的一個(gè)分析時(shí)間段(例如凌晨02:00—04:00)，當(dāng)跨中上下緣的應(yīng)力同時(shí)達(dá)到篩選時(shí)間段的最小值時(shí)(上緣受壓最小、下緣受拉最小)，并結(jié)合實(shí)測跨中相對(duì)撓度的變化，即可判斷出“零活載點(diǎn)”。具體判據(jù)如式(1)、式(2):

式中:σT0，i，j為上緣實(shí)測“零活載點(diǎn)”(凌晨 02:00—04:00 壓應(yīng)力達(dá)到最小);σB0，i，j為下緣實(shí)測“零活載點(diǎn)”(凌晨02:00—04:00點(diǎn)拉應(yīng)力達(dá)到最小);j為第j個(gè)時(shí)段，d;σi為第j時(shí)段內(nèi)i時(shí)間點(diǎn)(凌晨02:00—04:00)的實(shí)測應(yīng)力。

5 工程應(yīng)用

現(xiàn)有江津長江大橋的健康監(jiān)控系統(tǒng)中，在跨中的頂板和底板、德感岸邊跨距端頭1/3處的頂板和底板以及德感側(cè)墩頂?shù)捻敯宀贾昧藨?yīng)變計(jì)。在主跨跨中頂板和底板分別安裝2套振弦傳感器，各安裝于上游側(cè)和下游側(cè)，在德感岸邊跨距端頭1/3處的頂板和底板分別安裝2套振弦傳感器，各安裝于上游側(cè)和下游側(cè)。安裝位置詳見圖2～圖4。

下面以跨中應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，說明“零活載點(diǎn)”識(shí)別的可行性及其具體方法，如圖5～圖6。

圖5 江津長江大橋某天跨中實(shí)測應(yīng)力值Fig.5 Mid-span measured stress value of Jiangjin Yangtze River Bridge one day

圖6 江津長江大橋跨中實(shí)測應(yīng)力值(02:00—04:00)Fig.6 Mid-span measured stress value of Jiangjin Yangtze River Bridge(02:00—04:00)

對(duì)于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，圖5為某天跨中頂、底板實(shí)測應(yīng)力隨時(shí)間變化的總體情況。從圖5中可以得出如下結(jié)論:

1)總體上來說，頂、底板實(shí)測應(yīng)力是隨時(shí)間逐漸增大的，與溫度的變化趨勢較為一致，與橋梁上通行活載的分布規(guī)律并不一致。這在一定程度上說明溫度等環(huán)境因素對(duì)于監(jiān)測系統(tǒng)的影響是明顯的，也說明了通過過濾掉溫度影響來識(shí)別“零活載點(diǎn)”的必要性。

2)每天的應(yīng)力數(shù)據(jù)在凌晨時(shí)段變化較為平穩(wěn)，且一般在02:00—04:00這個(gè)時(shí)段，頂、底板應(yīng)力出現(xiàn)一天中的最小值。這主要由于此段時(shí)間環(huán)境溫度較為穩(wěn)定，梯度溫度和箱內(nèi)外溫差對(duì)于結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響較小，基本可以忽略。同時(shí)此時(shí)也為橋上實(shí)際通行車輛較少的時(shí)段。因此設(shè)此為每天識(shí)別“零活載點(diǎn)”的篩選時(shí)段是較為科學(xué)合理的。

3)分析凌晨02:00—04:00的監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)某一時(shí)刻的跨中實(shí)測數(shù)據(jù)同時(shí)滿足式(1)和式(2)時(shí)，可以認(rèn)為這個(gè)時(shí)刻為零活載點(diǎn)。如圖6，在凌晨。03:31這個(gè)時(shí)刻的實(shí)測數(shù)據(jù)的頂、底板應(yīng)力均為這一時(shí)段內(nèi)的最小值，則可以判斷此刻就是“零活載點(diǎn)”。

通過每天識(shí)別“零活載點(diǎn)”作為這一天橋梁結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)狀態(tài)點(diǎn)，通過對(duì)當(dāng)天實(shí)測監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理，可以較為準(zhǔn)確的得到活載、溫度對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力、撓度等的影響，從而為橋梁結(jié)構(gòu)損傷以及健康狀態(tài)的評(píng)判提供更為客觀的數(shù)據(jù)依據(jù)。

6 結(jié)論

1)針對(duì)目前橋梁健康監(jiān)測過程中實(shí)測數(shù)據(jù)處理受噪聲影響較大、處理難度較大的問題，筆者提出了一種基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的“零活載點(diǎn)”的識(shí)別原理及方法。

2)在大跨徑混凝土梁橋監(jiān)測數(shù)據(jù)處理時(shí)，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的規(guī)律，可以設(shè)定合理的“零活載點(diǎn)”篩選時(shí)間段;當(dāng)某一時(shí)刻的截面頂、底板應(yīng)力測試值達(dá)到識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以認(rèn)為此時(shí)刻為橋梁實(shí)際運(yùn)營時(shí)的“零活載點(diǎn)”。該方法在江津大橋監(jiān)測數(shù)據(jù)分析中得到成功應(yīng)用

3)筆者提出的方法不需要知道監(jiān)測橋梁的詳細(xì)車輛通行情況，為復(fù)雜因素影響下的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)提供了可供借鑒的思路。

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