橋梁安全監(jiān)測(cè)預(yù)警閥值一般設(shè)置方法

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400000)

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)目標(biāo)是結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)，在達(dá)到該狀態(tài)之前，給出一個(gè)預(yù)告警戒線(xiàn)，在警戒線(xiàn)之內(nèi)則認(rèn)為結(jié)構(gòu)處于安全試用狀態(tài)，超出這一警戒線(xiàn)則認(rèn)為結(jié)構(gòu)受載較大，提示運(yùn)營(yíng)者關(guān)注橋梁的狀態(tài)。警戒線(xiàn)的給出符合認(rèn)定思維，給橋梁的管理養(yǎng)護(hù)帶來(lái)方便。

為準(zhǔn)確判定結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，并適時(shí)進(jìn)行預(yù)警報(bào)警，需在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序中給定參數(shù)的判定界限值，即所謂的閾值。

一般可將安全等級(jí)分為三級(jí)：提醒、警告、報(bào)警。

1)提醒狀態(tài)表明橋梁的部分結(jié)構(gòu)出現(xiàn)輕微損傷，但結(jié)構(gòu)整體仍能處于正常的工作狀態(tài)，需要密切關(guān)注損傷部位和損傷的發(fā)展。

2)警告狀態(tài)表明橋梁的部分結(jié)構(gòu)或關(guān)鍵部位出現(xiàn)了一定程度的損傷，橋梁需要維修才能滿(mǎn)足使用要求，應(yīng)該限載通行且對(duì)橋梁進(jìn)行全面的檢查。

3)報(bào)警狀態(tài)表明橋梁的部分結(jié)構(gòu)或關(guān)鍵部位出現(xiàn)了嚴(yán)重功能退化，應(yīng)立即關(guān)閉交通，橋梁必須經(jīng)過(guò)加固或者大修才能繼續(xù)使用。

一、預(yù)警閥值設(shè)置一般方法

(一)預(yù)警參數(shù)的確定。預(yù)警參數(shù)是指用于預(yù)警的橋梁特征參數(shù)，包括直接測(cè)試參數(shù)和衍生參數(shù)。預(yù)警參數(shù)的確定需考慮自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的測(cè)試項(xiàng)目，保證預(yù)警參數(shù)能被穩(wěn)定可靠地采集和計(jì)算。同時(shí)預(yù)警參數(shù)要能突出地反映結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

橋梁的預(yù)警參數(shù)主要包括主梁跨中撓度、主梁縱位移(伸縮縫寬度)、主梁應(yīng)力、風(fēng)速、交通荷載、主梁振動(dòng)特性參數(shù)等。

(二)預(yù)警指標(biāo)的確定。預(yù)警指標(biāo)是指預(yù)警參數(shù)的預(yù)警限值，通常對(duì)于單指標(biāo)預(yù)警而言，當(dāng)預(yù)警參數(shù)值超過(guò)預(yù)警指標(biāo)，則代表預(yù)警參數(shù)已超過(guò)結(jié)構(gòu)容許限值。預(yù)警指標(biāo)分為兩種：1級(jí)預(yù)警指標(biāo)和2級(jí)預(yù)警指標(biāo)，1級(jí)預(yù)警指標(biāo)大致對(duì)應(yīng)于橋梁結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)，2級(jí)預(yù)警指標(biāo)對(duì)應(yīng)于橋梁結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)，一般1級(jí)預(yù)警指標(biāo)取2級(jí)預(yù)警指標(biāo)的0.8倍。

預(yù)警指標(biāo)的確定方法目前分為兩種：無(wú)模型預(yù)警方法和有模型預(yù)警方法。

1)無(wú)模型方法。無(wú)模型預(yù)警方法是以往監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和預(yù)警的主要方法，它建立在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)響應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直接進(jìn)行處理，通過(guò)規(guī)范、歷史記錄、交通流量、環(huán)境參數(shù)等建立預(yù)警指標(biāo)。通常根據(jù)不同情況設(shè)定不同的預(yù)警指標(biāo)，對(duì)不同的預(yù)警指標(biāo)采取不同的處理方法。

2)有模型方法。有模型預(yù)警方法需基于橋梁基準(zhǔn)有限元模型。利用橋梁基準(zhǔn)有限元模型計(jì)算橋梁主要亞臨界狀態(tài)(即橋梁的主要危險(xiǎn)狀態(tài))下橋梁預(yù)警指標(biāo)值。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)閾值的確定目前一般采用以下幾種方法：

1)計(jì)算分析。計(jì)算分析法采用經(jīng)修正過(guò)的有限元模型，計(jì)算在正常使用荷載狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，并給出傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)的參數(shù)的理論變化區(qū)間。

2)基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。對(duì)于某些受力復(fù)雜、理論計(jì)算結(jié)果僅作為參考時(shí)，可以對(duì)某一變量進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間地連續(xù)觀測(cè)，并分析觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，以此統(tǒng)計(jì)規(guī)律作為后續(xù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的閾值。

3)規(guī)范值。對(duì)于某些非結(jié)構(gòu)參數(shù)的閾值可以根據(jù)規(guī)范規(guī)定限制給定，如普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫寬度規(guī)范限制為0.2mm。

4)不確定值。對(duì)于風(fēng)荷載或地震作用，屬于環(huán)境作用，其作用大小根據(jù)其超越概率的大小可能屬于SLS或ULS狀態(tài)。因此，監(jiān)測(cè)與此對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)參數(shù)則沒(méi)有確定的閾值?？梢愿鶕?jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行離線(xiàn)分析，從而確定結(jié)構(gòu)有無(wú)損傷發(fā)生。

(三)預(yù)警條件的確定。預(yù)警條件是指處于預(yù)警狀態(tài)時(shí)各預(yù)警參數(shù)和相應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)所滿(mǎn)足的條件。預(yù)警條件分為單一預(yù)警條件和組合預(yù)警條件。單一預(yù)警條件針對(duì)單一預(yù)警參數(shù)而言，只要此預(yù)警參數(shù)超過(guò)對(duì)應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)，則預(yù)警條件成立；組合預(yù)警條件針對(duì)多個(gè)預(yù)警參數(shù)，只有當(dāng)滿(mǎn)足一定組合的多個(gè)預(yù)警參數(shù)均達(dá)到預(yù)警指標(biāo)時(shí)才認(rèn)為預(yù)警條件成立。考慮到測(cè)試誤差和異常干擾的影響，只靠單一預(yù)警條件進(jìn)行預(yù)警可靠性不高，因此桃花峪黃河大橋結(jié)構(gòu)安全預(yù)警模塊采用組合預(yù)警條件進(jìn)行預(yù)警。

根據(jù)使用的預(yù)警指標(biāo)的不同，預(yù)警條件分為1級(jí)預(yù)警條件和2級(jí)預(yù)警條件。

(四)預(yù)警等級(jí)的劃分

對(duì)于橋梁危險(xiǎn)狀態(tài)通常采用三級(jí)預(yù)警：

1)一級(jí)(黃色)預(yù)警。當(dāng)1級(jí)預(yù)警條件偶然成立，且2級(jí)預(yù)警條件不成立時(shí)，進(jìn)行黃色預(yù)警。黃色預(yù)警啟動(dòng)，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)已開(kāi)始出現(xiàn)超過(guò)正常使用極限狀態(tài)的情況，此事需引起橋梁管理部門(mén)的注意，但橋梁目前尚不存在安全問(wèn)題。

2)二級(jí)(橙色)預(yù)警。當(dāng)1級(jí)預(yù)警條件頻繁成立，且2級(jí)預(yù)警條件偶然成立時(shí)，進(jìn)行橙色預(yù)警。橙色預(yù)警啟動(dòng)，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期出現(xiàn)超過(guò)正常使用極限狀態(tài)的情況，且有時(shí)已開(kāi)始出現(xiàn)超過(guò)承載力極限狀態(tài)的情況，此時(shí)需引起橋梁管理部門(mén)的高度注意，橋梁目前已存在安全問(wèn)題，或者可能存在重大安全問(wèn)題。

3)三級(jí)(紅色)預(yù)警。當(dāng)2級(jí)預(yù)警條件頻繁成立時(shí)，進(jìn)行紅色預(yù)警。紅色預(yù)警啟動(dòng)，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期出現(xiàn)超過(guò)承載力極限狀態(tài)的情況，此時(shí)橋梁極有可能已出現(xiàn)重大安全問(wèn)題，橋梁管理部門(mén)必須立刻啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。

二、預(yù)警閥值設(shè)置的示例

不同監(jiān)測(cè)參數(shù)需根據(jù)具體情況采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄔO(shè)定閾值。

為對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)范圍進(jìn)行界定，制定各測(cè)點(diǎn)閾值范圍，特建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。盡管如此，上述計(jì)算值只能作為健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)初步設(shè)定值，在后續(xù)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過(guò)程中應(yīng)在海量數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上評(píng)估閾值設(shè)定初值的合理性。

警戒值的大小取為正常運(yùn)營(yíng)極限值(閾值)的75%，此時(shí)的安全系數(shù)為1/0.75=1.33，預(yù)留了部分空間以判斷是否需要對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的健康評(píng)估。香港的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)此前這一數(shù)值為0.6，根據(jù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)修改為現(xiàn)在的0.75，這一數(shù)值也被美國(guó)公路運(yùn)輸協(xié)會(huì)(AASHTO)采納入橋梁分類(lèi)辦法等規(guī)范中。

按照上述原則的三級(jí)閾值(兩線(xiàn)三狀態(tài))示意圖如下圖所示，‘兩線(xiàn)’是指預(yù)警線(xiàn)和報(bào)警線(xiàn)，‘三狀態(tài)’是指正常監(jiān)測(cè)狀態(tài)、預(yù)警狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)。

圖5-2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)閾值的三級(jí)閾值示意圖

目前給出的各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的閾值為依照有限元計(jì)算的初步設(shè)定值，其預(yù)警值按閾值乘以0.75取值。荷載為活荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合，活荷載包括汽車(chē)荷載、人群荷載、風(fēng)荷載。

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