一種基于應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁狀態(tài)評估方法研究

王越、朱晨輝、馬乃軒、邵珠峰、武略

（1.山東高速工程檢測有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.橋梁結(jié)構(gòu)大數(shù)據(jù)與性能診治提升交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250000）

0 引言

橋梁健康監(jiān)測是采用傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)、連續(xù)、科學(xué)地監(jiān)測和分析橋梁的運(yùn)行狀態(tài)、病害情況和安全性能等及時(shí)預(yù)警和評估橋梁健康狀況，便于及早排除潛在風(fēng)險(xiǎn)的有效技術(shù)手段。橋梁健康監(jiān)測結(jié)果可為橋梁養(yǎng)護(hù)工作提供決策支持，有助于及時(shí)修復(fù)、預(yù)防病害，提高橋梁的安全性、可靠性，以及養(yǎng)護(hù)施工的經(jīng)濟(jì)性。

目前，隨著城市化進(jìn)程的加快和交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，橋梁健康監(jiān)測技術(shù)已得到廣泛推廣和應(yīng)用，特別是在大跨度、高速公路等重要橋梁的監(jiān)測方面，成為關(guān)鍵技術(shù)之一。

結(jié)構(gòu)應(yīng)變作為橋梁健康監(jiān)測與橋梁安全評估的重要參數(shù)之一，監(jiān)測人員可以通過應(yīng)變監(jiān)測了解橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力分布情況，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康狀況評估與安全預(yù)警，從而及時(shí)制訂合理的維護(hù)計(jì)劃和決策，預(yù)防潛在問題，確保橋梁安全運(yùn)行[1]。

在橋梁健康監(jiān)測中，通常通過預(yù)先設(shè)置監(jiān)測系統(tǒng)固定閾值的方式進(jìn)行橋梁安全預(yù)警及狀態(tài)評估，但由于溫度因素會影響結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)變變化，使得無法通過應(yīng)變固定閾值方式實(shí)現(xiàn)有效預(yù)警與評估[1]。為解決此類問題，文章以濟(jì)南黃河三橋南側(cè)堤外引橋右幅橋73#、74#跨為研究對象，通過對應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，驗(yàn)證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性，并基于此提出一種基于應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁狀態(tài)評估方法與思路。

1 工程概況

濟(jì)南黃河三橋位于山東省濟(jì)南市北部，是國道主干線青島—銀川公路（與濟(jì)南北繞城高速公路重疊區(qū)段）跨越黃河的一座特大橋，也是京滬高速公路復(fù)線（山東段）的關(guān)鍵工程之一。全橋4473.04m，包括北側(cè)堤外引橋、北側(cè)跨大堤橋、北側(cè)河灘引橋、主橋、南側(cè)河灘引橋、南側(cè)跨大堤橋、南側(cè)堤外引橋共13 座橋梁。

大橋于2008 年12 月26 日正式通車運(yùn)營。南側(cè)堤外引橋分左、右幅，右幅橋上部結(jié)構(gòu)為6×45m+6×45m+8×30m+8×30m+9×30m 的等高連續(xù)梁，主梁采用橫、縱兩向預(yù)應(yīng)力箱梁，跨徑30m 箱梁內(nèi)部橫向布設(shè)2 個(gè)箱室，跨徑45m 箱梁內(nèi)部橫向布設(shè)1 個(gè)箱室，盆式橡膠支座。橋面布置為雙向八車道，橋梁寬度為40.50m。

在2013 年的定期檢測中發(fā)現(xiàn)，濟(jì)南黃河三橋南側(cè)堤外引橋右幅橋包含第2 聯(lián)R-73#孔（8×30m）在內(nèi)的部分預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁梁體出現(xiàn)底板橫向裂縫、腹板豎向裂縫；經(jīng)跟蹤觀測，于2018 年對73#、74#跨采取體外預(yù)應(yīng)力加固、橋面板底面粘貼玄武巖不銹鋼網(wǎng)格、預(yù)應(yīng)力未壓漿管道補(bǔ)壓漿、底板和腹板外表面病害修補(bǔ)及整體涂裝的方式進(jìn)行了維修加固；在2020 年定期檢測中，R-73#跨（8×30m）新增梁底板橫向裂縫與腹板豎向裂縫。

橋梁定期檢測相隔周期較長，時(shí)效性較低，為實(shí)時(shí)掌握橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況，2022 年在濟(jì)南黃河三橋南側(cè)堤外引橋右幅橋73#、74#跨建立健康監(jiān)測系統(tǒng)，針對橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變、撓度、振動等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。其中應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)位于兩跨跨中截面箱梁兩側(cè)腹板，位置如圖1 所示。

圖1 濟(jì)南黃河三橋南側(cè)堤外引橋右幅橋應(yīng)變監(jiān)測測點(diǎn)示意圖（單位：cm）

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

由于橋梁在真實(shí)服役環(huán)境中，受多種荷載效應(yīng)與環(huán)境作用，直接獲得的長期應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)表現(xiàn)為一種混合交通荷載、日溫變化以及測量噪聲等因素的非平穩(wěn)信號，無法直接用于評估[2-3]。同時(shí)，除了最主要的導(dǎo)致實(shí)測應(yīng)變無法反映交通荷載作用的溫度效應(yīng)，橋梁結(jié)構(gòu)在移動車輛作用下所引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)變又包含長周期的靜態(tài)響應(yīng)與短周期的動態(tài)響應(yīng)[4-5]。為了獲取橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變在交通荷載下的真實(shí)響應(yīng)，需利用基于小波變換的多分辨率分析方法將多組分的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行單組分分解，從而獲取目標(biāo)組分。

常用的離散小波變換過程如公式（1）所示：

式（1）中：Wf(j,k)為小波變換過程，ψj,k(t)為小波基函數(shù)，j為尺度參數(shù)，k為平移參數(shù)，f(t)為輸入函數(shù)，重構(gòu)公式如公式（2）所示：

式（2）中：以具有高頻信號特征的細(xì)節(jié)分量Dj、具有低頻信號特征的細(xì)節(jié)分量Aj，可將公式（2）表達(dá)為公式（3）：

2.2 數(shù)據(jù)采樣與處理

選取響應(yīng)較為明顯的兩跨外側(cè)腹板底部應(yīng)變測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為了盡可能多地獲得單車經(jīng)過時(shí)橋梁應(yīng)變的響應(yīng)數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)樣本具有普遍性，選取10 月27 日—10 月31 日凌晨3:00—5:00 共 計(jì)10 小時(shí)的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)提取。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，單個(gè)車輛引起的響應(yīng)時(shí)間約為3～4s，該時(shí)段內(nèi)溫度變化所導(dǎo)致的應(yīng)變數(shù)據(jù)偏離基本可以忽略不計(jì)。通過原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)車輛荷載在兩監(jiān)測跨引起的應(yīng)變響應(yīng)峰值發(fā)生時(shí)間差在1～2s 內(nèi)。

此時(shí)的原始數(shù)據(jù)包含車輛作用下橋梁主梁構(gòu)件產(chǎn)生的彎曲應(yīng)變，即靜態(tài)響應(yīng)，以及在車輛行駛過程中，由于路面不平整等因素導(dǎo)致車輛引起的隨機(jī)振動，即動態(tài)響應(yīng)[6]，需利用小波多分辨率分解消除動態(tài)響應(yīng)。該研究中選取的小波種類為db 小波（全稱Daubechies 小波，90 年代初由法國學(xué)者Daubechies 提出）。該小波族分解系數(shù)可以精確重構(gòu)并降低分解信號時(shí)的能量散失，具有較好的濾噪能力[7]。利用db 小波對單個(gè)車輛引起的原始應(yīng)變響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行5 階小波分解的結(jié)果如圖2 所示。其中第5 層的近似A5 分量即為所需的應(yīng)變靜態(tài)響應(yīng)。

圖2 小波多分辨率分解結(jié)果

圖3 73#跨、74#跨交通荷載作用下應(yīng)力幅值比分布圖

2.3 處理結(jié)果

在獲得73#、74#跨在交通車輛荷載作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)變的響應(yīng)數(shù)據(jù)集后，為最大限度地消除復(fù)數(shù)車輛對數(shù)據(jù)的影響，僅保留前后12s 內(nèi)無其他響應(yīng)的單峰數(shù)據(jù)。10 月27 日—10 月31 日共計(jì)104 組的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 10 月27 日—10 月31 日交通荷載作用下應(yīng)力幅值比統(tǒng)計(jì)表

由表1 可知，排除額外影響因素后，單獨(dú)受車輛荷載作用時(shí)，濟(jì)南黃河三橋南側(cè)堤外引橋右幅橋73#跨、74#跨結(jié)構(gòu)響應(yīng)應(yīng)力幅值比在1.7～2.1 之間，響應(yīng)差異較為明顯；將全部73#跨、74#跨應(yīng)力幅值比數(shù)據(jù)作直方圖并擬合分布曲線（見圖4），在104 組數(shù)據(jù)中，73#跨、74#跨應(yīng)力幅值比在2 附近接近正態(tài)分布。

2.4 數(shù)據(jù)對比與分析

由于缺少橋梁初建監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用Midas Civil 有限元計(jì)算軟件建立濟(jì)南黃河三橋南側(cè)堤外引橋右幅橋8×30m 梁橋有限元模型進(jìn)行理論值計(jì)算。在單車道移動荷載工況作用下，主梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表2所示：

表2 有限元模型主梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

通過與理論值對比，在交通荷載作用下，南黃河三橋南側(cè)堤外引橋右幅橋73#、74#跨實(shí)測結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)與理論值存在明顯差異。實(shí)測車輛荷載作用下兩跨應(yīng)力幅值比在2 左右呈現(xiàn)正態(tài)分布，與理論值計(jì)算值1.17 存在較大差異。說明南黃河三橋南側(cè)堤外引橋右幅橋73#跨在交通荷載作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)存在異常，可能存在影響橋梁技術(shù)狀況的病害，與定期檢測結(jié)果相吻合。

上述分析表明，應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地反映橋梁結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài)。目前南黃河三橋南側(cè)堤外引橋右幅橋73#、74#跨實(shí)測結(jié)構(gòu)應(yīng)變在車輛荷載作用下的響應(yīng)幅值比在2 左右，可作為后續(xù)監(jiān)測控制指標(biāo)進(jìn)行橋梁狀態(tài)評估，說明基于應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行橋梁狀態(tài)評估具有可行性。

3 結(jié)論

文章利用小波多分辨率方法對濟(jì)南黃河三橋南側(cè)堤外引橋右幅橋73#、74#跨在交通荷載作用下的應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過數(shù)據(jù)處理得到橋梁結(jié)構(gòu)的靜態(tài)響應(yīng)，并通過數(shù)據(jù)分析得出如下結(jié)論：

第一，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)濟(jì)南黃河三橋南側(cè)堤外引橋右幅橋8×30m 聯(lián)73#、74#跨在交通荷載作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)存在明顯差異，73#跨應(yīng)力幅值較大，兩跨應(yīng)力幅值比在2 附近基本呈正態(tài)分布，大于理論計(jì)算值比1.17，反映出大橋73#跨可能存在影響橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況的病害，與定期檢測結(jié)果相吻合。

第二，得到濟(jì)南黃河三橋南側(cè)堤外引橋右幅橋8×30m 聯(lián)73#、74#跨在交通荷載作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值比，后續(xù)可作為監(jiān)測控制指標(biāo)進(jìn)行橋梁狀態(tài)評估。

第三，利用小波多分辨率分析方法進(jìn)行基于應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行橋梁狀態(tài)評估是可行的，得到的結(jié)果可以真實(shí)反映橋梁狀況。