CN110567662B - 一种基于工程比拟的桥梁短期监测评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工程比拟的桥梁短期监测评估方法，包括如下步骤：在损伤桥梁相距1000m范围内找到一座类型与损伤桥梁相同或相似的完好桥梁作为比拟参照；检查损伤桥梁，采用通用的评估方法得出初步评估等级；在完好桥梁和损伤桥梁上合理布置监测位并确定各个测点；计算完好桥梁和损伤桥梁监测位的数值计算值；采集各测点的实测数据，分析筛选得到各测点的实测小时峰值；先计算实测比值、数值计算比值，再计算各测点的损伤指标；计算各测点损伤指标的均值和标准差；计算损伤桥梁各个监测位的0.95分位点值，并计算损伤桥梁的0.95分位点均值；依据损伤桥梁的0.95分位点均值与初步评估等级的对照关系，得到最终评估结果，对初步评估等级进行修正。采用本方法既不必进行复杂环境条件的数值修正，也避开了对车辆荷载进行直接监测或反演识别，使得计算更加简单，提高了损伤桥梁的评估效率和准确性。

Description

一种基于工程比拟的桥梁短期监测评估方法

技术领域

本发明属于道路桥梁安全领域，涉及一种基于工程比拟的桥梁短期监测评估方法。

背景技术

目前，大中桥梁运营期的安全评估主要采用荷载试验和健康监测两种技术手段：荷载试验成本低、结果直观，易于被公路管养部门接受；健康监测的测试传输技术逐渐成熟，评估理论不断发展，安全评估结果也逐步变得更加可靠。通过跟踪统计，98％以上的桥梁事故都是发生在大中桥上。特大桥由于受到重视，一般安装有长期监测系统，养护维修及时，不容易出现事故；小桥由于跨度不大，承载力富裕度一般较高，即便出现问题也不会引起很大的财产损失和人员伤亡。因此，大中桥特别是损伤的桥梁应该成为安全监测的重点，但是健康监测存在成本高、评估困难、传感器耐久性不高等问题，不便于采用健康监测技术手段；而荷载试验由于信息不充分无法准确反映桥梁的技术状态，并且对于桥梁短期监测可移植和重复使用的性能要求，在车辆荷载监测方面有一定的难度。

发明内容

本发明的目的在于；针对现有技术的缺点和不足，提出一种基于工程比拟的桥梁短期监测评估方法，在类似结构响应的基础上，将损伤桥梁与其相邻的完好桥梁进行工程比拟，对损伤桥梁的初步判断进行进一步修正，避开了对车辆荷载进行直接监测或反演识别，使得计算简单、操作方便，便于该方法的推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于工程比拟的桥梁短期监测评估方法，设定完好桥梁的长度为L₁，损伤桥梁的长度为L₂，完好桥梁和损伤桥梁的相隔距离为L_1-2，L_1-2≤1000m，具体方法包括如下步骤：

S1：对损伤桥梁进行全面检查，采用评估方法，判断损伤桥梁的技术状况，得出损伤桥梁的初步评估等级D；根据桥梁类型、相隔距离、损伤桥梁的损伤情况及位置，在完好桥梁和损伤桥梁上合理布置m个对应的监测位进行监测；

S2：设定完好桥梁某一监测位为P＇_k、损伤桥梁相对应的监测位为P_k，在P＇_k位置设定一个测点V₀，对应的数值计算值为

实测值为

在P_k位置的一定区域内设定三个测点V₁、V₂、V₃，对应的数值计算值为V₁ ^t、

V₃ ^t，对应的实测值为V₁ ^c、

V₃ ^c；

S3：使用有限元分析软件分别构建完好桥梁和损伤桥梁的数值模型，在不考虑损伤的情况下，计算得出完好桥梁监测位P＇_k的数值计算值

和损伤桥梁监测位P_k的数值计算值V₁ ^t、

V₃ ^t；

S4：在完好桥梁和损伤桥梁的测点上安装传感器，使用短期监测系统在一定时间段T天内连续采集记录测点的结构力学响应量数据，对采集的实测数据按小时分段并进行分析筛选，得到完好桥梁监测位P＇_k的实测小时峰值

和损伤桥梁监测位P_k的实测小时峰值

S5：实测比值＝损伤桥梁的实测小时峰值与完好桥梁的实测小时峰值之比，数值计算比值＝损伤桥梁的数值计算值与完好桥梁的数值计算值之比，将实测比值除以数值计算比值得到损伤指标η_ij，如式(1)所示：

其中，损伤指标η_ij表示i测点在第j个实测小时峰值时的损伤指标；

S6：计算损伤指标η_ij的均值μ及标准差σ，如式(2)、(3)所示：

其中，μ表示损伤桥梁的监测位P_k上所有测点的全部小时峰值损伤指标的平均值，σ表示损伤桥梁的监测位P_k上所有测点的全部小时峰值损伤指标的标准差；

S7：计算损伤桥梁监测位P_k的0.95分位点值R_k，如式(4)所示：

R_k＝μ+1.645σ (4)

S8：重复步骤S2至S7，计算得到损伤桥梁所有监测位的0.95分位点值，然后计算所有监测位的0.95分位点均值

如式(5)所示：

S9：依据损伤桥梁的0.95分位点均值

与初步评估等级D的对照关系，得到损伤桥梁的最终评估结果；

其中，步骤S1至S9中任一步所述D∈{1类，2类，3类，4类，5类}，所述k∈{1,…,m}，m为监测位的总数，所述i∈{1,2,3},j∈{1,…,24T},24T表示连续采集T天，每天24个小时峰值，共计24T个采集的小时峰值数据。

上述方案中，在准备工作阶段，对疑似损伤桥梁进行全面检查，例如外观裂缝、破损等，制定测试方案，确定损伤桥梁和完好桥梁的监测位。其中完好桥梁仅仅作为参照，其测点布置数量可以少一些，损伤桥梁为了明确损伤对结构受力的影响，测点布置要多一些，特别是疑似损伤对受力影响较大区域需要增加测点，本发明中损伤桥梁布置的测点是完好桥梁的3倍。

本方案通过短期监测，在损伤桥梁附近选择的完好桥梁主要是指没有损伤的1、2类桥梁，同步监测完好桥梁和损伤桥梁各测点的结构力学响应量。

按照工程实践经验，在L_1-2≤100m时，相似关系极强，本方案的监测评估精度极高；在100m＜L_1-2≤500m时，相似关系较强，本方案的监测评估精度能够满足工程要求；在500m＜L_1-2≤1000m时，具有一定的相似关系，测点较多情况本方案的监测评估方能够满足工程要求；在L_1-2≥1000m时，特殊情况下相似关系才成立，需要引入交通量修正系数方可使用本方法，这种情况不属于本发明方法范畴。总之，本方案的适用条件为L_1-2≤1000m，这对于大多数城市快速路、高速公路和铁路而言适用范围还是很宽广的。需要明确的是，这个距离范围是在一般正常行车状态下、过渡段没有车流出入口的情况得出的，不排除特殊情况需要更近的距离方可满足相似条件。

由于桥梁监测位V₀～V₃实际结构力学响应值会随着时间变化而变化，为了能够使得出的实测值之比较为合理反映结构的承载能力，本方案将实测数据按1小时进行分段，每段计算其小时峰值，然后取最大值95％保证率的标准值计算实测值与数值计算值之比得到损伤指标η。

此外，所述评估方法是指按照现行任何一种规范的评估方法，通过这样的评估方法得出的一个初步评估结果(即初步的评估等级)。

进一步地，步骤S4中，所述连续采集记录测点的结构力学响应量数据的时间段T≥7天。

在交通稀疏的时刻，将采集设备进行归零操作，开始连续采集数据。连续采集时间T≥7天，优选采集时间为28天，实际采集时间根据桥梁类型、损伤状况及荷载情况等确定采集时间。

进一步地，步骤S4中，所述结构力学响应量包括监测桥梁的应力、位移和索力。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1.利用在损伤桥梁附近选择具有类似结构力学响应量的完好桥梁进行类比，由于车辆荷载、温度场和风荷载均类似，因此不必进行复杂环境条件的数值修正，也避开了对车辆荷载进行直接监测或反演识别，使得计算更加简单，提高了损伤桥梁的评估效率和准确性；

2.损伤桥梁与完好桥梁之间的距离越短，其监测评估的精度就越高，因此在监测条件允许的情况下，能够在损伤桥梁临近位置找到完好桥梁进行工程比拟，则监测评估的精度更高、效果更好；

3.由于仅在关键点或损伤点安装传感器进行短期监测，测试简单，操作方便，便于推广应用。

附图说明

图1为一种基于工程比拟的桥梁短期监测评估方法的流程图；

图2为一种基于工程比拟的桥梁短期监测评估方法的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1和2所示，一种基于工程比拟的桥梁短期监测评估方法，设定完好桥梁的车辆荷载M₀，损伤桥梁的车辆荷载为M₁，完好桥梁的长度为L₁，损伤桥梁的长度为L₂，完好桥梁和损伤桥梁的相隔距离为L_1-2，L_1-2≤1000m；其中，本实施例中所述的D∈{1类，2类，3类，4类，5类}，k∈{1,…,m}，m为监测位的总数，i∈{1,2,3},j∈{1,…,24T},24T表示连续采集T天，每天24个小时峰值，共计24T个采集的小时峰值数据。具体方法包括如下步骤：

S1：对损伤桥梁进行全面检查，采用评估方法，判断损伤桥梁的技术状况，得出损伤桥梁的初步评估等级D；根据桥梁类型、相隔距离、损伤桥梁的损伤情况及位置，在完好桥梁和损伤桥梁上合理布置m个对应的监测位进行监测。

在具体实现中，安装传感器后将其路线连接短期监测系统软件，短期监测系统软件进行预采样测试，检验短期监测系统是否正常工作，反复调试。该过程在桥下可以操作的，不影响交通，需要用桥检车安装仪器设备时，半幅或单车道临时限行或改道即可。

此外，所述评估方法是指按照现行任何一种规范的评估方法，通过这样的评估方法得出的一个初步评估结果(即初步的评估等级)。

S2：设定完好桥梁某一监测位为P＇_k、损伤桥梁相对应的监测位为P_k，在P＇_k位置设定一个测点V₀，对应的数值计算值为

实测值为

在P_k位置的一定区域内设定三个测点V₁、V₂、V₃，对应的数值计算值为V₁ ^t、

V₃ ^t，对应的实测值为V₁ ^c、

V₃ ^c。

S3：使用有限元分析系统分别构建完好桥梁和损伤桥梁的数值模型，在不考虑损伤的情况下，计算得出完好桥梁监测位P＇_k的数值计算值

和损伤桥梁监测位P_k的数值计算值V₁ ^t、

V₃ ^t。

目前，常见有限元分析系统有：LUSAS、MSC、Ansys、Abaqus、LMS-Samtech、Algor、Femap/NX Nastran、Hypermesh、COMSOL Multiphysics、FEPG等，最流行的为：MSC、Ansys、Abaqus。本实施例中，将根据不同的应用需求选择适用的有限元分析系统构建损伤桥梁分析的数值模型，计算其理论计算频遇值。

S4：在完好桥梁和损伤桥梁的测点上安装传感器，使用短期监测系统在一定时间段T天内连续采集记录测点的结构力学响应量数据，对采集的实测数据按小时分段并进行分析筛选，得到完好桥梁监测位P＇_k的实测小时峰值

和损伤桥梁监测位P_k的实测小时峰值

S5：实测比值＝损伤桥梁的实测小时峰值与完好桥梁的实测小时峰值之比，数值计算比值＝损伤桥梁的数值计算值与完好桥梁的数值计算值之比，将实测比值除以数值计算比值得到损伤指标η_ij，如式(1)所示：

其中，损伤指标η_ij表示i测点在第j个实测小时峰值时的损伤指标。

S6：计算损伤指标η_ij的均值μ及标准差σ，如式(2)、(3)所示：

其中，μ表示损伤桥梁的监测位P_k上所有测点的全部小时峰值损伤指标的平均值，σ表示损伤桥梁的监测位P_k上所有测点的全部小时峰值损伤指标的标准差。

S7：计算损伤桥梁监测位P_k的0.95分位点值R_k，如式(4)所示：

R_k＝μ+1.645σ (4)

S8：重复步骤S2至S7，计算得到损伤桥梁所有监测位的0.95分位点值，然后计算所有监测位的0.95分位点均值

如式(5)所示：

S9：依据损伤桥梁的0.95分位点均值

与初步评估等级D的对照关系，得到损伤桥梁的最终评估结果。

步骤S9中，依据损伤桥梁的0.95分位点均值

与初步评估等级D的对照关系如表1所示，在前述步骤计算得到损伤桥梁的0.95分位点均值

的基础上，按照该对照表，找到损伤桥梁的评估结果。实际上，如果该评估结果与初步评估等级D相同，则说明初步评估等级D是符合实际的，如果该评估结果大于或小于初步评估等级D，则说明初步评估等级D存在偏差，将本实施例计算得到的损伤桥梁评估结果作为最终评估结果，实际是对初步评估的修正。

表1损伤桥梁评估结果对照表

上述方案中，在准备工作阶段，对疑似损伤桥梁进行全面检查，例如外观裂缝、破损等，制定测试方案，确定损伤桥梁和完好桥梁的监测位。其中完好桥梁仅仅作为参照，其测点布置数量可以少一些，损伤桥梁为了明确损伤对结构受力的影响，测点布置要多一些，特别是疑似损伤对受力影响较大区域需要增加测点，本发明中损伤桥梁布置的测点是完好桥梁的3倍。

本方案通过短期监测，在损伤桥梁附近选择的完好桥梁主要是指没有损伤的1、2类桥梁，同步监测完好桥梁和损伤桥梁各测点的结构力学响应量。

按照工程实践经验，在L_1-2≤100m时，相似关系极强，本方案的监测评估精度极高；在100m＜L_1-2≤500m时，相似关系较强，本方案的监测评估精度能够满足工程要求；在500m＜L_1-2≤1000m时，具有一定的相似关系，测点较多情况本方案的监测评估方能够满足工程要求；在L_1-2≥1000m时，特殊情况下相似关系才成立，需要引入交通量修正系数方可使用本方法，这种情况不属于本发明方法范畴。总之，本方案的适用条件为L_1-2≤1000m，这对于大多数城市快速路、高速公路和铁路而言适用范围还是很宽广的。需要明确的是，这个距离范围是在一般正常行车状态下、过渡段没有车流出入口的情况得出的，不排除特殊情况需要更近的距离方可满足相似条件。

由于桥梁监测位V₀～V₃实际结构力学响应值会随着时间变化而变化，为了能够使得出的实测值之比较为合理反映结构的承载能力，本方案将实测数据按1小时进行分段，每段计算其小时峰值，然后取最大值95％保证率的标准值计算实测值与数值计算值之比得到损伤指标η。

进一步地，步骤S4中，所述连续采集记录测点的结构力学响应量数据的时间段T≥7天。

在交通稀疏的时刻，将采集设备进行归零操作，开始连续采集数据。连续采集时间T≥7天，优选采集时间为28天，实际采集时间根据桥梁类型、损伤状况及荷载情况等确定采集时间。

进一步地，步骤S4中，所述结构力学响应量包括监测桥梁的应力、位移和索力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，皆应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于工程比拟的桥梁短期监测评估方法，其特征在于，设定完好桥梁的长度为L₁，损伤桥梁的长度为L₂，完好桥梁和损伤桥梁的相隔距离为L_1-2，要求L_1-2≤1000m，具体方法包括如下步骤：

S1：对损伤桥梁进行全面检查，采用评估方法，判断损伤桥梁的技术状况，得出损伤桥梁的初步评估等级D；根据桥梁类型、相隔距离、损伤桥梁的损伤情况及位置，在完好桥梁和损伤桥梁上合理布置m个对应的监测位进行监测；

S2：设定完好桥梁某一监测位为P＇_k、损伤桥梁相对应的监测位为P_k，在P＇_k位置设定一个测点V₀，对应的数值计算值为

实测值为

在P_k位置的一定区域内设定三个测点V₁、V₂、V₃，对应的数值计算值为V₁ ^t、

对应的实测值为V₁ ^c、

S3：使用有限元分析软件分别构建完好桥梁和损伤桥梁的数值模型，在不考虑损伤的情况下，计算得出完好桥梁监测位P＇_k的数值计算值

和损伤桥梁监测位P_k的数值计算值V₁ ^t、

S4：在完好桥梁和损伤桥梁的测点上安装传感器，使用短期监测系统在一定时间段T天内连续采集记录测点的结构力学响应量数据，对采集的实测数据按小时分段并进行分析筛选，得到完好桥梁监测位P＇_k的实测小时峰值

和损伤桥梁监测位P_k的实测小时峰值

S5：实测比值＝损伤桥梁的实测小时峰值与完好桥梁的实测小时峰值之比，数值计算比值＝损伤桥梁的数值计算值与完好桥梁的数值计算值之比，将实测比值除以数值计算比值得到损伤指标η_ij，如式(1)所示：

其中，损伤指标η_ij表示i测点在第j个实测小时峰值时的损伤指标；

S6：计算损伤指标η_ij的均值μ及标准差σ，如式(2)、(3)所示：

其中，μ表示损伤桥梁的监测位P_k上所有测点的全部小时峰值损伤指标的平均值，σ表示损伤桥梁的监测位P_k上所有测点的全部小时峰值损伤指标的标准差；

S7：计算损伤桥梁监测位P_k的0.95分位点值R_k，如式(4)所示：

R_k＝μ+1.645σ (4)

S8：重复步骤S2至S7，计算得到损伤桥梁所有监测位的0.95分位点值，然后计算所有监测位的0.95分位点均值

如式(5)所示：

S9：依据损伤桥梁的0.95分位点均值

与初步评估等级D的对照关系，得到损伤桥梁的最终评估结果；

其中，步骤S1至S9中任一步所述D∈{1类，2类，3类，4类，5类}，所述k∈{1,…,m}，m为监测位的总数，所述i∈{1,2,3},j∈{1,…,24T},24T表示连续采集T天，每天24个小时峰值，共计24T个采集的小时峰值数据。

2.如权利要求1所述的一种基于工程比拟的桥梁短期监测评估方法，其特征在于，步骤S4中，所述连续采集记录测点的结构力学响应量数据的时间段T≥7天。

3.如权利要求1所述的一种基于工程比拟的桥梁短期监测评估方法，其特征在于，步骤S4中，所述结构力学响应量包括监测桥梁的应力、位移和索力。

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