中小跨徑混凝土梁橋管理養(yǎng)護系統(tǒng)研究與開發(fā)

楊永清，馮睿為，李曉斌，劉一鳴

(西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)*

0 引言

橋梁作為交通基礎設施的咽喉工程，在公路、鐵路運輸系統(tǒng)中發(fā)揮著至關重要的作用.隨著交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，既有的許多中小跨徑混凝土梁橋因運營要求提高、環(huán)境因素復雜，在抗疲勞、耐久性等方面出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性能缺失，而且目前常用的橋梁管養(yǎng)方法簡單粗放，缺乏系統(tǒng)性.這些問題導致橋梁不能得到及時的維護、補強，影響了結(jié)構(gòu)的正常使用，甚至增加了安全風險.鑒于此，本文研究開發(fā)了適合中小跨徑混凝土梁橋的管理養(yǎng)護系統(tǒng).該系統(tǒng)準確地把握了橋梁管理養(yǎng)護工作中面臨的問題，建立了科學的評價體系和方法，提出了合理、有效的管理養(yǎng)護措施.

1 橋梁管理養(yǎng)護系統(tǒng)發(fā)展概況及存在問題

1.1 發(fā)展概況

橋梁管理養(yǎng)護系統(tǒng)是指運用現(xiàn)代先進的管理理念、計算科學和統(tǒng)計科學，借助計算機技術，研究和開發(fā)一個集橋梁數(shù)據(jù)儲存與查閱、技術狀況評價、結(jié)構(gòu)退化預測、養(yǎng)護措施決策及養(yǎng)護資金分配為一體的管理信息系統(tǒng)［1］，對已建的橋梁進行有效的養(yǎng)護管理，使這些橋梁適應不斷增長的交通的需要.

自上世紀80年代起，西方國家已經(jīng)進行了對本國橋梁養(yǎng)護系統(tǒng)的開發(fā).1968年，美國建立了世界上第1個橋梁管理養(yǎng)護系統(tǒng)——國家橋梁總目(NBI).1988年，美國交通部聯(lián)邦道路廳(FHWA)便開發(fā)了具有初步輔助決策功能的橋梁管理系統(tǒng)POINTS橋梁管理系統(tǒng).在歐洲、亞洲一些國家也開發(fā)出了相應的適合本國情況的橋梁管理系統(tǒng)，如丹麥的DAN-BRO、法國的EDOU ARD、英國的NATS、挪威的 BRUTUS、瑞士的 NATS、日本的 JBMS 及韓國的 SHBMS［2］.

我國橋梁管理系統(tǒng)的研究開始于80年代初期，其中較為典型的是交通部的CBMS系統(tǒng)［3］.另外，四川公路研究所、廣東公路研究所等單位先后開發(fā)出了針對該省橋梁實際情況的管理養(yǎng)護系統(tǒng).對于大跨度橋梁，我國也自主開發(fā)了一些相應的養(yǎng)護管理系統(tǒng)，如海滄大橋養(yǎng)護管理系統(tǒng)、南京二橋綜合管理系統(tǒng)、南京三橋養(yǎng)護管理系統(tǒng)等［4］.

1.2 存在的問題

隨著橋梁管理養(yǎng)護系統(tǒng)在我國迅速地普及與發(fā)展，系統(tǒng)在使用過程中仍存在一些問題:

(1)目前國內(nèi)很多橋梁管理養(yǎng)護系統(tǒng)雖然涵蓋面較廣，但對于每一類橋型的管理養(yǎng)護不夠深入，并且缺乏針對典型橋型的管理養(yǎng)護系統(tǒng)的開發(fā);

(2)現(xiàn)有系統(tǒng)的橋梁養(yǎng)護數(shù)據(jù)有很大的潛在價值，比如可以研究一座橋的病害隨時間變化情況，從而對該橋做出結(jié)構(gòu)退化趨勢預測;比如可以對系統(tǒng)中同類型橋梁的病害特征進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析掌握其科學規(guī)律.但是大多數(shù)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)束之高閣，造成了巨大的浪費;

(3)對于橋梁病害的分析不夠全面，導致絕大部分管養(yǎng)系統(tǒng)養(yǎng)護決策模塊不夠完善，沒有給出具體的養(yǎng)護建議.

基于以上問題，本文以中小跨徑混凝土梁橋管理養(yǎng)護系統(tǒng)為例，實現(xiàn)對典型橋型的管理養(yǎng)護及決策.

2 系統(tǒng)設計

中小跨徑梁橋管理養(yǎng)護系統(tǒng)由橋梁信息管理子系統(tǒng)、技術狀況評定子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)決策分析子系統(tǒng)和系統(tǒng)輔助模塊子系統(tǒng)四個模塊組成.系統(tǒng)設計結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

2.1 橋梁信息管理子系統(tǒng)設計

圖1 系統(tǒng)設計結(jié)構(gòu)圖

橋梁信息管理子系統(tǒng)由橋梁基本資料庫、橋梁構(gòu)件病害庫以及工程圖紙等附件資料組成，每一個子模塊都具有資料的添加、修改、刪除、查詢等功能，其中橋梁信息及病害庫的數(shù)據(jù)有三大來源:①在線監(jiān)測數(shù)據(jù)(包括攝像機、傳感器);②格式標準化的橋梁現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù);③經(jīng)過授權認證的用戶手工輸入的數(shù)據(jù).該子系統(tǒng)用例圖如圖2所示.

圖2 橋梁基本信息用例圖

2.2 技術狀況評定子系統(tǒng)設計

橋梁技術狀況評定的設計目標是依據(jù)橋梁存在的缺損狀況，對橋梁進行等級評定，研究橋梁退化的原因，確定維護維修方案，將有限的資源作最優(yōu)的分配，以使結(jié)構(gòu)(或構(gòu)件)維持在安全的狀況.系統(tǒng)依據(jù)《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG T H21-2011)［5］中的評定方法對橋梁的技術狀況等級進行評定，業(yè)務流程如圖3所示，評定相關數(shù)據(jù)庫實體-聯(lián)系圖如圖4所示.

2.2.1 技術狀況評定子系統(tǒng)評分計算方法

全橋的技術狀況評分是由上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系評價后的評分值加權求和得到的.他們各自又包括多個部件，每個部件又由多個構(gòu)件組成.因此橋梁的評分是從單個構(gòu)件的評定開始，依次計算得分，最后逐級進行加權計算，得到最終得分.

(1)橋梁構(gòu)件的技術狀況評分(以上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件為例)

當x=1時

當x≥2時

圖3 評定流程圖

式中:PMCIl為上部結(jié)構(gòu)第i類部件l構(gòu)件的得分，值域為0～100分;k為第i類構(gòu)件l構(gòu)件出現(xiàn)扣分的指標的種類數(shù);U、x、y為引入的中間變量;i為部件類別，例如i表示上部承重構(gòu)件、支座、橋墩等;j為第i類部件l構(gòu)件的第j類檢測指標;DPij為第i類部件l構(gòu)件的第j類檢測指標的扣分值;根據(jù)構(gòu)件各種檢測指標扣分值進行計算.

(2)橋梁部件的技術狀況評分(以上部結(jié)構(gòu)的部件為例)

(3)橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系的技術狀況評分(以上部結(jié)構(gòu)為例)

式中:SPCI為橋梁上部結(jié)構(gòu)技術狀況評分，值域為0～100分;PCCIi為上部結(jié)構(gòu)第i類部件的得分;m為上部結(jié)構(gòu)的部件種類數(shù);Wi為第i類部件的權重.

(4)橋梁總體的技術狀況評分

式中:Dr為橋梁總體技術狀況評分，值域為0～100分;WD為橋面系在全橋中的權重;Wsp為上部結(jié)構(gòu)在全橋中的權重;WSB為下部結(jié)構(gòu)在全橋中的權重;SBCI為橋梁下部結(jié)構(gòu)技術狀況評分，值域為0～100分;BDCI為橋面系技術狀況評分，值域為0～100分.

圖4 技術狀況評定數(shù)據(jù)庫實體-關系圖

2.2.2 橋梁技術狀況評定實例

以綿陽市某橋為例，介紹橋梁技術狀況評定程序自動計算過程.該橋上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土簡支板梁，結(jié)合現(xiàn)場實際病害情況，使用上述評定方法得出橋梁技術狀況評定結(jié)果.該橋上部結(jié)構(gòu)僅有一個主梁，其扣分值如表1所示.

表1 主梁扣分情況表

利用式(1)可得該橋上部結(jié)構(gòu)的主梁構(gòu)件的得分為:

=PMCI-(100-PMCImin)/t=25.28

由于該橋上部結(jié)構(gòu)僅有一個主梁，重新分配權重后，利用式(5)得出該橋上部結(jié)構(gòu)技術狀況評分:

利用式(4)可得該橋上部結(jié)構(gòu)部件的得分為:PCCIi

同理可得其下部結(jié)構(gòu)及橋面系的技術狀況評分分別為:

最后通過式(6)得出橋梁總體技術狀況評分為:

Dr=BDCI×WD+SPCI×WSP+SBCI×WSB

=25.28× 0.40+70.88× 0.40+61.15× 0.20

=50.69

綜合判定該橋的技術狀況評定等級為4類，表明該橋梁體結(jié)構(gòu)有大的缺損，影響承載能力，不能保證正常使用.

2.3 橋梁決策分析子系統(tǒng)設計

橋梁數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)主要根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，對其結(jié)構(gòu)退化趨勢進行預測，對橋梁病害特征進行統(tǒng)計分析，提出詳細的養(yǎng)護措施以及建議.

(1)橋梁結(jié)構(gòu)退化預測方法

橋梁結(jié)構(gòu)的技術狀況在荷載和外界環(huán)境等條件變化時也會不斷發(fā)生相應的變化，我們對其退化的趨勢做出預測就稱為橋梁結(jié)構(gòu)退化趨勢預測.準確的橋梁結(jié)構(gòu)退化趨勢預測有助于制定合理的養(yǎng)護規(guī)劃，提出有效的建議和決策.

本模塊中預測方法采用回歸分析法.回歸預測法就是利用橋梁在t0時刻前各個檢測時刻的實際檢測結(jié)果，通過回歸分析，建立橋梁技術狀態(tài)與使用時間的關系［6］，以此得出橋梁結(jié)構(gòu)的退化趨勢.

(2)病害統(tǒng)計分析

在所采集的大量混凝土梁橋檢測數(shù)據(jù)的基礎上，該模塊按照截面形式將其分為板梁橋、T梁橋、箱梁橋三類，對每一類橋的常見病害及分布進行統(tǒng)計分析，總結(jié)常見病害產(chǎn)生規(guī)律，通過扇形圖、雷達圖等圖表形式直觀地表達出來，并且針對每一種病害分析其產(chǎn)生的原因，使得管理養(yǎng)護工作更具有針對性，大大提高了工作效率.

(3)橋梁養(yǎng)護決策

橋梁養(yǎng)護決策是針對橋梁現(xiàn)有狀況，制定合理的養(yǎng)護計劃，給出有效的建議.該模塊采用決策樹法進行分析，其原理是依托橋梁養(yǎng)護工程師長期積累的經(jīng)驗，借助系統(tǒng)化的方法對這些經(jīng)驗進行提煉，提出合理的養(yǎng)護維修對策［7］.該模塊中決策樹模型考慮了橋梁承載力、缺損狀況等影響因素.

(4)系統(tǒng)輔助模塊子系統(tǒng)

系統(tǒng)管理子系統(tǒng)主要包括用戶及權限管理、數(shù)據(jù)導入與導出、報表打印、數(shù)據(jù)字典管理四個模塊.該部分主要對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行管理，保證數(shù)據(jù)的安全性、可靠性.

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)程序設計基于Java編程語言，采用J2EE架構(gòu)，選用Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫.Java編程語言是一種非常流行的編程語言，具有運行效率高、跨平臺、安全性高等特性，被眾多大型企業(yè)選用.

按照上述設計思路及計算機技術，本文實現(xiàn)了中小跨徑混凝土梁橋管理養(yǎng)護系統(tǒng)的編制目標.該系統(tǒng)已成功應用于實際的橋梁管理養(yǎng)護工作中，其中技術狀況評定界面如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)技術狀況評定界面

4 結(jié)論

本文依據(jù)公路橋梁技術狀況評定方法，結(jié)合中小跨徑混凝土梁橋的常見的病害特點，運用Java編程語言、Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫和數(shù)理統(tǒng)計等相關知識研究與開發(fā)出了中小跨徑混凝土梁橋管理養(yǎng)護系統(tǒng)，主要的研究結(jié)論有以下幾個方面:

(1)結(jié)合不同截面形式混凝土梁橋的常見病害，總結(jié)出病害的易發(fā)部位，使橋梁養(yǎng)護工作更具有針對性;

(2)研究開發(fā)了中小跨徑混凝土梁橋管理養(yǎng)護系統(tǒng)，深入挖掘了橋梁養(yǎng)護數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了橋梁的技術狀況評定、構(gòu)件功能退化預測與養(yǎng)護評價決策的程序化，提高了管理養(yǎng)護的工作效率.該系統(tǒng)已經(jīng)成功應用在綿陽某橋等項目中;

(3)使用Java程序語言進行編程，運行效率高，穩(wěn)定性好、可以在多種平臺上運行，對以后類似工作具有一定的參考價值.

［1］許烈平.橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.重慶:重慶交通大學，2008.

［2］THOMPSON P D，SMALL E P，JOHNSON M，et al.The Pontis Bridge Management System［J］.Structural Engineering International.ASCE，2010(6):303-308.

［3］李昌鑄.公路橋梁管理系統(tǒng)(CBMS2000)的開發(fā)與應用［J］.公路交通科技，2003(3):84-90.

［4］黃僑，任遠，劉紹云，等.大跨度橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)的若干問題研究:第十八屆全國橋梁學術會議論文集(下冊)［C］.北京:人民交通出版社，2008:1396-1402.

［5］中華人民共和國交通運輸部.JTG TH 21-2011公路橋梁技術狀況評定標準［S］.北京:人民交通出版社，2011:7-18.

［6］林兵，鄭丹，周建庭，等.西南地區(qū)橋梁壽命預測分析［J］.重慶交通大學學報(自然科學版)，2008(3):374-378.

［7］董玉歡.橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)研究［D］.西安:長安大學，2014.

［8］朱績超，邵旭東.海洋環(huán)境下鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性評估［J］.大連交通大學學報，2010(2):28-33.

［9］馬軍海，陳艾榮，張文學.公路橋梁技術狀況評定體系及其應用［J］.石家莊鐵道學院學報，2006(4):77-80.

［10］熊慧中，李中銘，王海濤，等.基于《公路橋梁技術狀況評定標準》的橋梁評定管理系統(tǒng)開發(fā)［J］.公路工程，2014(3):214-218.

［11］聶功武，孫利民.橋梁養(yǎng)護巡檢與健康監(jiān)測系統(tǒng)信息的融合［J］.上海交通大學學報，2011(S1):104-108.

［12］單德山，張俊英，黃振興，等.基于 ASP.NET的大跨度斜拉橋管養(yǎng)系統(tǒng)［J］.橋梁建設，2012(3):31-36.