CN111395144B - 一种大跨度连续刚构桥健康状态的监测与评判方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大跨度连续刚构桥健康状态的监测与评判方法，步骤如下：(1)建立大跨度连续刚构桥健康状态的评判模型；(2)建立大跨度连续刚构桥健康状态的指标权重和指标评判标准；(3)针对大跨度连续刚构桥健康状态的评判指标，布置测试截面和截面测点；(4)分别计算主梁底层指标、支座底层指标、桥墩底层指标、桥台底层指标以及基础底层指标的评判向量和变权重。(5)计算中间层指标的评判向量和变权重。(6)计算大跨度连续刚构桥的总体健康状态评判等级。本发明能实现大跨度连续刚构桥健康状态的定性、定量和分级评判，系统性和整体性强，实现全天候、实时、在线监测和评判，建立的评判模型具有重点突出、层次分明、简明扼要和易于实施，适用性强。

Description

一种大跨度连续刚构桥健康状态的监测与评判方法
技术领域
本发明属于桥梁健康状态监测与评判方法技术领域，特别是一种大跨度连续刚构桥健康状态的监测与评判方法。
背景技术
连续刚构桥是我国桥型的重要组成部分，对保障我国交通运输网的安全和畅通起到了重要的作用。经济和社会的高速发展对连续刚构桥的健康状态提出了更高的要求，尤其是互联网和物联网的大规模发展、工业2.0时代的到来，使得这种要求变的更为急迫。针对连续刚构桥的健康状态评判，目前主要有神经网络法、模糊综合评判法以及层次分析法等方法，这些方法主要存在以下缺点和问题：
(1)大跨度连续刚构桥健康状态的高效准确识别主要取决于大跨度连续刚构桥健康状态的状态监测数据获取和状态评判两大方面，其中状态监测数据的高效准确获取对大跨度连续刚构桥健康状态评判的结果影响较大，现有的大跨度连续刚构桥评判更多是关注大跨度连续刚构桥健康状态的理论分析和评判，没有涉及大跨度连续刚构桥健康状态监测相关的内容；
(2)大跨度连续刚构桥多建设在野外环境中，外界环境比较复杂，现有的大跨度连续刚构桥健康状态的监测多采用有线布置的方式，雨水、紫外线等外界环境作用对数据线的可靠性和耐久性构成了严重的威胁，此外，数据线的布设、更换和维护比较困难，尤其是连续刚构桥跨径比较大的情况下，维护成本和费用将会非常高昂；
(3)大跨度连续刚构桥的健康状态与外观监测存在较大不同，目前现有方法主要是侧重大跨度连续刚构桥的外观状况监测，对反映大跨度连续刚构桥安全性和承载力的动力特性很少涉及，无法有效准确评判大跨度连续刚构桥的健康状态；
目前，大跨度连续刚构桥的健康状态评判主要是依赖人工主观经验的判断与识别，不同的工程师会给出不同的评判结果，甚至截然相反的评判结果，缺乏一个统一的量化评价标准，不利于大跨度连续刚构桥健康状态的高效判别。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种大跨度连续刚构桥健康状态的监测与评判方法，具体技术方案如下：
一种大跨度连续刚构桥健康状态的监测与评判方法，包括如下步骤：
(1)基于大跨度连续刚构桥的构造和受力特点，将大跨度连续刚构桥的健康状态等级划分为完好、较好、中等、较差和危险，建立大跨度连续刚构桥健康状态的评判模型；
(2)基于大跨度连续刚构桥现行规范和研究成果的统计分析，建立大跨度连续刚构桥健康状态的指标权重和指标评判标准；
(3)针对大跨度连续刚构桥健康状态的评判指标，布置大跨度连续刚构桥健康状态的测试截面和截面测点，所述测点包括静力测点和动力测点；在每个测点均分别安装测点传感器；在每个测点传感器内嵌入RFID标签，并在大跨度连续刚构桥上布置无线网络；
(4)分别计算主梁底层指标、支座底层指标、桥墩底层指标、桥台底层指标以及基础底层指标的评判向量和变权重：
根据大跨度连续刚构桥的实桥监测数据和有限元计算数据，采用梯形和半梯形的隶属函数，建立底层指标的评判矩阵，对评判矩阵进行按行归一处理和按列求和再归一处理，得到底层指标的评判向量；根据各个底层指标的相对重要性程度，构造矩阵并对矩阵进行随机一致性检验，在矩阵随机一致性检验满足要求后，将矩阵最大特征值对应特征向量归一化可得底层指标的常权；
由式(1)求得各底层指标的变权重：
Figure BDA0002419486200000021
式(1)中：ωj为底层指标的变权；
Figure BDA0002419486200000022
为底层指标的常权；xi为底层指标评判向量与等级参数向量(1,0.8,0.6,0.4,0.2)经过模糊计算
Figure BDA0002419486200000023
得到，α＝0.5；
(5)计算中间层指标的评判向量和变权重：
将步骤(4)所得底层指标评判向量组成判断矩阵，将步骤(4)所得的底层指标变权组成权重向量，将所述判断矩阵与权重向量经过模糊运算，得到中层指标的评判向量；利用层次分析法构造中层指标主梁、支座、桥墩、桥台和墩台基础的判断矩阵，进行随机一致性检验，将矩阵最大特征值对应特征向量归一化得到各中间层指标的常权，主梁、支座、桥墩、桥台和墩台基础5个中层指标变权分别按式(2)计算：
Figure BDA0002419486200000024
式(2)中：ωj-底层指标的变权；
Figure BDA0002419486200000025
-底层指标的常权；xi-底层指标评判向量与等级参数向量(1,0.8,0.6,0.4,0.2)经过模糊计算得到，α＝0.5；
(6)计算大跨度连续刚构桥的总体健康状态评判等级：
将步骤(5)所得中间层指标的评判向量组成矩阵，将步骤(5)所得中间层指标的变权组成权重向量，将评判矩阵与评判向量进行模糊运算，得到大跨度连续刚构桥的总体健康状态评判向量，根据加权平均原则计算出大跨度连续刚构桥的总体健康状态得分，确定大跨度连续刚构桥的整体健康状态。
(7)根据步骤(6)得出的大跨度连续刚构桥整体健康状态，确定由桥梁检测和维护策略大数据统计分析得出的管养策略，并通过无线网络实时反馈到大跨度连续刚构桥的监控中心和桥梁养护工作人员的手持PDA设备。
所述大跨度连续刚构桥健康状态的评判模型如下：所述评判模型由箱梁、支座、桥墩、桥台和基础共计五大部件组成，所述箱梁部件由跨中挠度、应变、加速度和固有频率四个指标进行评判，支座部件由支座位移和支座转角两个指标进行评判，桥墩部件由水平偏位、竖向偏位、桥面附加纵坡和沉降差四个指标进行评判，桥台部件由水平偏位和竖向偏位两个指标进行评判，基础部件由水平偏位和竖向偏位两大指标进行评判。
所述静力测点和动力测点均为无线测点，每个测点传感器分别通过无线网络连接电脑控制终端或手持设备控制终端。
所述测点传感器，包括定位传感器、应变传感器、水平加速度传感器、竖向加速度传感器和转角测试传感器。
本发明的有益效果：
(1)本发明能够实现大跨度连续刚构桥健康状态的定性、定量和分级评判，能够覆盖从评判方案设计，到现场测试方案实施，再到健康状态分级定量评判和养护维修策略制定的全过程，系统性和整体性强。
(2)本发明提出的大跨度连续刚构桥健康状态的监测与评判方法，重点考虑了影响大跨度连续刚构桥安全性的因素和指标，舍弃了桥梁外观检测涉及耐久性的因素和指标，建立的大跨度连续刚构桥健康状态评判模型具有重点突出、层次分明、简明扼要和易于实施的优点。
(3)本发明充分采用物联网、大数据、云计算和传感器等技术，将所有测点传感器嵌入 RFID(射频识别)标签，构成了一个物联网，一方面不需要进行桥梁现场的大规模数据线布设，节约了成本，提高了施工效率，另一方面节约了后期的养护费用，可以实现对大跨度连续刚构桥健康状态的全天候、实时、在线监测和评判。
(4)本发明提出的大跨度连续刚构桥健康状态的监测与评判方法，监控和评判流程简单，效率高，易于编制计算机软件，能够充分发挥计算机的计算优势和互联网的技术优势。
(5)本发明提出的大跨度连续刚构桥健康状态的监测与评判方法，不仅能够全天候、实时、在线评判大跨度连续刚构桥的健康状态，还能利用大数据和云平台技术，通过对现有桥梁养护和维修策略的统计分析，给出客观、科学、合理的养护维修策略，克服了人工评判桥梁健康状态时主观性强的缺点。
(6)本发明提出的大跨度连续刚构桥健康状态的监测与评判方法，在对大跨度连续刚构桥健康状态评判时，针对评判指标采用的是变权处理方法，克服了评判指标采用常权方法时存在个别构件严重损坏已经严重影响桥梁整体安全性，但不能导致桥梁健康评判结果发生很大变化的缺点。
(7)本发明提出的大跨度连续刚构桥健康状态的监测与评判方法，具有较强的实际可操作性，既能用于施工阶段，又能用于成桥阶段，既能用于连续刚构桥，又能用于其它梁桥，适用性强。
附图说明
图1是本发明方法的大跨度连续刚构桥健康状态的评判模型。
图2是大跨度连续刚构桥测试截面和测点的纵向布置示意图。
图3是大跨度连续刚构桥测试截面的测点布置示意图。
图4-1是大跨度连续刚构桥支座测点平面布置示意图。
图4-2是大跨度连续刚构桥支座测点纵断面布置示意图。
图5-1是大跨度连续刚构桥单个桥墩测点纵桥向布置示意图。
图5-2是大跨度连续刚构桥单个桥墩测点平面布置示意图。
图6-1是大跨度连续刚构桥单个桥台测点纵桥向布置示意图。
图6-2是大跨度连续刚构桥单个桥台测点平面布置示意图。
图7-1是大跨度连续刚构桥单个基础测点纵桥向布置示意图。
图7-2是大跨度连续刚构桥单个基础测点平面布置示意图。
图中，1：主梁，2：桥墩，3：桥台，4：支座，5：墩台基础，6：箱梁，7：防撞墙，8：北斗定位系统传感器，9：无线应变传感器，10：无线水平加速度传感器，11：无线竖向加速度传感器，12：无线转角测试传感器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案实施方式作详细说明，但不构成对本发明权利要求保护范围的限制。
一种大跨度连续刚构桥健康状态的监测与评判方法，具体步骤如下：
(1)基于大跨度连续刚构桥的构造和受力特点，将大跨度连续刚构桥的健康状态等级划分为完好、较好、中等、较差和危险，建立大跨度连续刚构桥健康状态的评判模型，如图1 所示：所述评判模型由箱梁、支座、桥墩、桥台和基础共计五大部件组成，所述箱梁部件由跨中挠度、应变、加速度和固有频率四个指标进行评判，支座部件由支座位移和支座转角两个指标进行评判，桥墩部件由水平偏位、竖向偏位、桥面附加纵坡和沉降差四个指标进行评判，桥台部件由水平偏位和竖向偏位两个指标进行评判，基础部件由水平偏位和竖向偏位两大指标进行评判。
(2)基于大跨度连续刚构桥现行规范和研究成果的统计分析，按照图1的评判模型，分别建立大跨度连续刚构桥健康状态的指标权重和指标评判标准，如表1至表14所示：
表1箱梁-跨中挠度Dm的评判标准
健康状态 健康分值 健康评判标准
完好 [0.8，1] D<sub>m</sub>≤L<sub>c</sub>/3000
较好 [0.6，0.8) L<sub>c</sub>/3000＜D<sub>m</sub>≤L<sub>c</sub>/2000
中等 [0.4，0.6) L<sub>c</sub>/2000＜D<sub>m</sub>≤L<sub>c</sub>/1000
较差 [0.2，0.4) L<sub>c</sub>/1000＜D<sub>m</sub>≤L<sub>c</sub>/600
危险 [0，0.2) L<sub>c</sub>/600＜D<sub>m</sub>
备注：Lc-计算跨径。
表2箱梁-混凝土拉应变εt和压应变εc的评判标准
健康状态 健康分值 健康评判标准
完好 [0.8，1] 0＜ε<sub>t</sub>≤0.20ε<sub>td</sub>，0.20ε<sub>cd</sub>＜ε<sub>c</sub>≤0
较好 [0.6，0.8) 0.20ε<sub>td</sub>＜ε<sub>t</sub>≤0.40ε<sub>td</sub>，0.40ε<sub>cd</sub>＜ε<sub>c</sub>≤0.20ε<sub>cd</sub>
中等 [0.4，0.6) 0.40ε<sub>td</sub>＜ε<sub>t</sub>≤0.60ε<sub>td</sub>，0.60ε<sub>cd</sub>＜ε<sub>c</sub>≤0.40ε<sub>cd</sub>
较差 [0.2，0.4) 0.60ε<sub>td</sub>＜ε<sub>t</sub>≤0.80ε<sub>td</sub>，0.80ε<sub>cd</sub>＜ε<sub>c</sub>≤0.60ε<sub>cd</sub>
危险 [0，0.2) 0.80ε<sub>td</sub>＜ε<sub>t</sub>≤1.00ε<sub>td</sub>，1.00ε<sub>cd</sub>＜ε<sub>c</sub>≤0.80ε<sub>cd</sub>
备注：εtd-箱梁混凝土的抗拉强度设计值；εcd-箱梁混凝土的抗压强度设计值。
表3箱梁-自振频率fmi的评判标准
健康状态 健康分值 健康评判标准
完好 [0.8，1] 1.1≤f<sub>mi</sub>/f<sub>di</sub>
较好 [0.6，0.8) 1.00≤f<sub>mi</sub>/f<sub>di</sub>＜1.10
中等 [0.4，0.6) 0.90≤f<sub>mi</sub>/f<sub>di</sub>＜1.00
较差 [0.2，0.4) 0.75≤f<sub>mi</sub>/f<sub>di</sub>＜0.90
危险 [0，0.2) f<sub>mi</sub>/f<sub>di</sub>＜0.75
备注：fdi-理论计算自振频率。
表4箱梁-水平加速度Yac和竖向加速度Zac的评判标准
健康状态 健康分值 健康评判标准
完好 [0.8，1] 0m/s<sup>2</sup>＜Y<sub>ac</sub>≤0.35m/s<sup>2</sup>，0m/s<sup>2</sup>＜Z<sub>ac</sub>≤0.159m/s<sup>2</sup>
较好 [0.6，0.8) 0.35m/s<sup>2</sup>＜Y<sub>ac</sub>≤0.70m/s<sup>2</sup>，0.159m/s<sup>2</sup>＜Z<sub>ac</sub>≤0.319m/s<sup>2</sup>
中等 [0.4，0.6) 0.70m/s<sup>2</sup>＜Y<sub>ac</sub>≤1.05m/s<sup>2</sup>，0.319m/s<sup>2</sup>＜Z<sub>ac</sub>≤0.478m/s<sup>2</sup>
较差 [0.2，0.4) 1.05m/s<sup>2</sup>＜Y<sub>ac</sub>≤1.4m/s<sup>2</sup>，0.478m/s<sup>2</sup>＜Z<sub>ac</sub>≤0.637m/s<sup>2</sup>
危险 [0，0.2) 1.4m/s<sup>2</sup>＜Y<sub>ac</sub>≤1.75m/s<sup>2</sup>，0.637m/s<sup>2</sup>＜Z<sub>ac</sub>≤0.796m/s<sup>2</sup>
表5支座-位移d的评判标准
健康状态 健康分值 健康评判标准
完好 [0.8，1] 0mm＜d≤2mm
较好 [0.6，0.8) 2mm＜d≤4mm
中等 [0.4，0.6) 4mm＜d≤6mm
较差 [0.2，0.4) 6mm＜d≤8mm
危险 [0，0.2) 8mm＜d≤10mm
表6支座-转角A的评判标准
健康状态 健康分值 健康评判标准
完好 [0.8，1] A<sub>d</sub>0％≤A≤A<sub>d</sub>4％
较好 [0.6，0.8) A<sub>d</sub>4％＜A≤A<sub>d</sub>8％
中等 [0.4，0.6) A<sub>d</sub>8％＜A≤A<sub>d</sub>12％
较差 [0.2，0.4) A<sub>d</sub>12％＜A≤A<sub>d</sub>16％
危险 [0，0.2) A<sub>d</sub>16％＜A≤A<sub>d</sub>20％
备注：Ad-支座设计转角。
表7桥墩-竖向偏位Vd的评判标准
健康状态 健康分值 健康评判标准
完好 [0.8，1] 0≤V<sub>d</sub>≤3.71cm
较好 [0.6，0.8) 3.71cm＜V<sub>d</sub>≤7.42cm
中等 [0.4，0.6) 7.42cm＜V<sub>d</sub>≤11.12cm
较差 [0.2，0.4) 11.12cm＜V<sub>d</sub>≤14.83cm
危险 [0，0.2) 14.83cm＜V<sub>d</sub>≤18.54cm
表8桥墩-水平偏位Hd的评判标准
健康状态 健康分值 健康评判标准
完好 [0.8，1] 0≤H<sub>d</sub>≤0.93cm
较好 [0.6，0.8) 0.93cm＜H<sub>d</sub>≤1.85cm
中等 [0.4，0.6) 1.85cm＜H<sub>d</sub>≤2.78cm
较差 [0.2，0.4) 2.78cm＜H<sub>d</sub>≤3.71cm
危险 [0，0.2) 3.71cm＜H<sub>d</sub>≤4.64cm
表9桥墩-沉降差SD的评判标准
健康状态 健康分值 健康评判标准
完好 [0.8，1] 0≤SD≤1.85cm
较好 [0.6，0.8) 1.85cm＜SD≤3.71cm
中等 [0.4，0.6) 3.71cm＜SD≤5.56cm
较差 [0.2，0.4) 5.56cm＜SD≤7.42cm
危险 [0，0.2) 7.42cm＜SD≤9.27cm
表10桥墩-桥面附加纵坡Als的评判标准
健康状态 健康分值 健康评判标准
完好 [0.8，1] 0≤A<sub>ls</sub>≤0.5％
较好 [0.6，0.8) 0.5％＜A<sub>ls</sub>≤1.0％
中等 [0.4，0.6) 1.0％＜A<sub>ls</sub>≤1.5％
较差 [0.2，0.4) 1.5％＜A<sub>ls</sub>≤2.0％
危险 [0，0.2) 2.0％＜A<sub>ls</sub>≤2.5％
表11桥台-竖向偏位Zd的评判标准
健康状态 健康分值 健康评判标准
完好 [0.8，1] 0≤Z<sub>d</sub>≤3.71cm
较好 [0.6，0.8) 3.71cm＜Z<sub>d</sub>≤7.42cm
中等 [0.4，0.6) 7.42cm＜Z<sub>d</sub>≤11.12cm
较差 [0.2，0.4) 11.12cm＜Z<sub>d</sub>≤14.83cm
危险 [0，0.2) 14.83cm＜Z<sub>d</sub>≤18.54cm
表12桥台-水平偏位Hd的评判标准
健康状态 健康分值 健康评判标准
完好 [0.8，1] 0≤H<sub>d</sub>≤0.93cm
较好 [0.6，0.8) 0.93cm＜H<sub>d</sub>≤1.85cm
中等 [0.4，0.6) 1.85cm＜H<sub>d</sub>≤2.78cm
较差 [0.2，0.4) 2.78cm＜H<sub>d</sub>≤3.71cm
危险 [0，0.2) 3.71cm＜H<sub>d</sub>≤4.64cm
表13墩台基础-竖向偏位Zd的评判标准
健康状态 健康分值 健康评判标准
完好 [0.8，1] 0≤Z<sub>d</sub>≤3.71cm
较好 [0.6，0.8) 3.71cm＜Z<sub>d</sub>≤7.42cm
中等 [0.4，0.6) 7.42cm＜Z<sub>d</sub>≤11.12cm
较差 [0.2，0.4) 11.12cm＜Z<sub>d</sub>≤14.83cm
危险 [0，0.2) 14.83cm＜Z<sub>d</sub>≤18.54cm
表14墩台基础-水平偏位Hd的评判标准
健康状态 健康分值 健康评判标准
完好 [0.8，1] 0≤H<sub>d</sub>≤0.93cm
较好 [0.6，0.8) 0.93cm＜H<sub>d</sub>≤1.85cm
中等 [0.4，0.6) 1.85cm＜H<sub>d</sub>≤2.78cm
较差 [0.2，0.4) 2.78cm＜H<sub>d</sub>≤3.71cm
危险 [0，0.2) 3.71cm＜H<sub>d</sub>≤4.64cm
(3)针对步骤(2)大跨度连续刚构桥健康状态的评判指标，基于互联网技术、物联网技术和传感器技术，进行大跨度连续刚构桥健康状态的测试截面和截面测点的布置，所述测试截面布置方法为：按主跨长度等分点分别布置，按边跨长度等分点分别布置。其中，测点主要包括静力测点和动力测点，无论是静力测点还是动力测点均为无线测点，其中线形测点和偏位测点采用基于GPS或北斗系统的无线传感器。在每个测点传感器内均分别嵌入RFID (射频识别)标签，并在大跨度连续刚构桥上布置无线网络，每个测点传感器的监测数据可以通过无线网络实时传输到电脑控制终端或手持设备控制终端。
测试截面和测点布置见图2～图7-2，其中测试截面和测点可根据桥梁的规模进行适当的增加和减少。
如图2和图3所示，大跨度连续刚构桥，包括主梁1、桥墩2、桥台3、支座4、墩台基础5、箱梁6和防撞墙7，测试截面和测点的纵向布置如图2所示，在测试截面的测点分别安装北斗定位系统传感器8、无线应变传感器9、无线水平加速度传感器10和无线竖向加速度传感器11，如图3所示。
如图4-1、4-2所示，在大跨度连续刚构桥支座4的测点分别布置北斗定位系统传感器8和无线转角测试传感器12。
如图5-1、5-2所示，在大跨度连续刚构桥桥墩2的测点分别布置至少三个北斗定位系统传感器 8，分别对应检测桥墩横向、纵向和竖向三个方向的位移。
如图6-1、6-2所示，在大跨度连续刚构桥桥台3的测点布置分别至少三个北斗定位系统传感器8，分别对应检测桥台横向、纵向和竖向三个方向的位移。
如图7-1、7-2所示，在大跨度连续刚构桥基础5的测点布置分别至少三个北斗定位系统传感器 8，分别对应检测基础横向、纵向和竖向三个方向的位移。
上述的北斗定位系统传感器8、无线应变传感器9、无线水平加速度传感器10、无线竖向加速度传感器11和无线转角测试传感器12均分别嵌入RFID标签。
(4)分别计算主梁底层指标、支座底层指标、桥墩底层指标、桥台底层指标以及基础底层指标的评判向量和变权重。上述各底层指标的变权重分别由式(1)求得。主梁底层指标包括自振频率、加速度、应变和跨中下挠，支座底层指标包括支座转角和支座偏位，桥墩底层指标包括竖向偏位、水平偏位、沉降差和桥面附加纵坡，桥台底层指标包括竖向偏位和水平偏位，基础底层指标包括竖向偏位和水平偏位。
根据大跨度连续刚构桥的实桥监测数据和有限元计算数据，采用梯形和半梯形的隶属函数，见式(1)，建立各个底层指标的评判矩阵JMbot,i，见式(2)，评判矩阵JMbot,i中下标bot 表示底层的意思，下标i表示底层指标的编号，矩阵元素jmnm中下标n为第i个底层指标的测点数量，下标m为评判标准的等级数量。
Figure BDA0002419486200000091
Figure BDA0002419486200000092
对评判矩阵JMbot,i进行按行归一处理和按列求和再归一处理，得到各个底层指标的评判向量JVbot,i＝(jvi1,jvi2,…,jvim)。
构造矩阵RIbot,j，见式(3)，矩阵RIbot,j中bot表示底层的意思，j为中间层指标的编号，矩阵中o表示第j个中层指标的底层指标数量。矩阵RIbot,j中元素rkl表示第j个中层指标的底层指标中，第k个底层指标对第l个底层指标的重要性标度，分为相等-1分、稍微-3分、较强5 分、强烈-7分、极端-9分五个等级，五个等级之间分值分别为2、4、6、8。矩阵中元素满足以下要求：rikl＞0，rikk＝1，rikl×rilk＝1。
Figure BDA0002419486200000093
对矩阵RIbot,j进行随机一致性检验，在矩阵RIbot,j随机一致性检验满足要求后，将矩阵RIbot,j最大特征值对应特征向量归一化可得底层指标的常权。
Figure BDA0002419486200000101
式中：ωj-第j个中层指标的底层指标i的变权；
Figure BDA0002419486200000102
-第j个中层指标的底层指标i的常权； xi-第j个中层指标的底层指标i的评判向量与等级参数向量(1,0.8,0.6,0.4,0.2)经过模糊计算得到，α＝0.5。
(5)计算中间层指标(包括主梁1、支座4、桥墩2、桥台3和墩台基础5)的评判向量和变权重。
将步骤(4)得到的底层指标评判向量组成判断矩阵JMmid,j，见式(5)。矩阵JMmid,j中mid 表示中层的意思，j表示中层指标的编号，矩阵元素jvom中o表示第j个中层指标的底层指标数量，下标m为评判标准的等级数量。
Figure BDA0002419486200000103
将底层指标变权组成权重向量Wbot,j＝(ω1,ω2,…,ωo)，将判断矩阵与权重向量经过模糊运算
Figure BDA0002419486200000104
可得到中层指标的评判向量JVmid,j＝(jvj1,jvj2,…,jvjm)。
利用层次分析法构造中层指标主梁、支座、桥墩、桥台和墩台基础的判断矩阵RImid。
Figure BDA0002419486200000105
进行随机一致性检验，将矩阵最大特征值对应特征向量归一化得到各中间层指标的常权，主梁、支座、桥墩、桥台和墩台基础5个中层指标变权分别根据式(2)获取，式中α＝0.5。
Figure BDA0002419486200000106
式中：ωj-第j个中层指标的变权；
Figure BDA0002419486200000107
-第j个中层指标的常权；xi-第j个中层指标的评判向量与等级参数向量(1,0.8,0.6,0.4,0.2)经过模糊计算得到，α＝0.5。
(6)计算大跨度连续刚构桥的总体健康状态评判等级。
将中间层指标的评判向量组成矩阵JMtop，见式(8)，矩阵元素jvum中u为中间层指标的数量，m为评判标准的等级数量。
Figure BDA0002419486200000111
将中间层指标的变权组成权重向量Wtop＝(ω1,ω2,…,ω5)，将评判矩阵JMtop与权重向量 Wtop进行模糊运算，得到大跨度连续刚构桥的总体健康状态评判向量OEVtop＝(b1,b2,…,bm)，根据加权平均原则计算出大跨度连续刚构桥的总体健康状态得分D，如表15所示，确定大跨度连续刚构桥的整体健康状态。
表15大跨度连续刚构桥健康状态D分值
状态等级 完好 较好 中等 较差 危险
总体健康状态得分 95≦D≦100 80≦D＜95 60≦D＜80 40≦D＜60 0≦D＜40
(7)根据云计算得出的大跨度连续刚构桥整体健康状态，确定由桥梁检测和维护策略大数据统计分析得出的管养策略，并通过无线网络实时反馈到大跨度连续刚构桥的监控中心和桥梁养护工作人员的手持PDA设备，供桥梁工作人员借鉴、参考和作出决策。

Claims (4)

1.一种大跨度连续刚构桥健康状态的监测与评判方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）基于大跨度连续刚构桥的构造和受力特点，将大跨度连续刚构桥的健康状态等级划分为完好、较好、中等、较差和危险，建立大跨度连续刚构桥健康状态的评判模型；
（2）基于大跨度连续刚构桥现行规范和研究成果的统计分析，建立大跨度连续刚构桥健康状态的指标权重和指标评判标准；
（3）针对大跨度连续刚构桥健康状态的评判指标，布置大跨度连续刚构桥健康状态的测试截面和截面测点，所述测点包括静力测点和动力测点；在每个测点均分别安装测点传感器；在每个测点传感器内嵌入RFID标签，并在大跨度连续刚构桥上布置无线网络；
（4）分别计算主梁底层指标、支座底层指标、桥墩底层指标、桥台底层指标以及基础底层指标的评判向量和变权重：
根据大跨度连续刚构桥的实桥监测数据和有限元计算数据，采用梯形和半梯形的隶属函数，建立底层指标的评判矩阵，对评判矩阵进行按行归一处理和按列求和再归一处理，得到底层指标的评判向量；根据各个底层指标的相对重要性程度，构造矩阵并对矩阵进行随机一致性检验，在矩阵随机一致性检验满足要求后，将矩阵最大特征值对应特征向量归一化可得底层指标的常权；
由式（1）求得各底层指标的变权重：
Figure 762646DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式（1）中：
Figure 148628DEST_PATH_IMAGE002
为底层指标的变权；
Figure 928365DEST_PATH_IMAGE003
为底层指标的常权；
Figure 323574DEST_PATH_IMAGE004
为底层指标评判向量与等级参数向量
Figure 606788DEST_PATH_IMAGE005
经过模糊计算
Figure 429251DEST_PATH_IMAGE006
得到，
Figure 696284DEST_PATH_IMAGE007
；
（5）计算中间层指标的评判向量和变权重：
将步骤（4）所得底层指标评判向量组成判断矩阵，将步骤（4）所得的底层指标变权组成权重向量，将所述判断矩阵与权重向量经过模糊运算
Figure 895184DEST_PATH_IMAGE006
，得到中层指标的评判向量；利用层次分析法构造中层指标主梁、支座、桥墩、桥台和墩台基础的判断矩阵，进行随机一致性检验，将矩阵最大特征值对应特征向量归一化得到各中间层指标的常权，主梁、支座、桥墩、桥台和墩台基础5个中层指标变权分别按式（2）计算：
Figure 32904DEST_PATH_IMAGE008
（2）
式（2）中：
Figure 744377DEST_PATH_IMAGE009
-底层指标的变权；
Figure 498707DEST_PATH_IMAGE010
-底层指标的常权；
Figure 704560DEST_PATH_IMAGE011
-底层指标评判向量与等级参数向量
Figure 227945DEST_PATH_IMAGE012
经过模糊计算得到，
Figure 657790DEST_PATH_IMAGE007
；
（6）计算大跨度连续刚构桥的总体健康状态评判等级：
将步骤（5）所得中间层指标的评判向量组成矩阵，将步骤（5）所得中间层指标的变权组成权重向量，将评判矩阵与评判向量进行模糊运算，得到大跨度连续刚构桥的总体健康状态评判向量，根据加权平均原则计算出大跨度连续刚构桥的总体健康状态得分，确定大跨度连续刚构桥的整体健康状态；
所述大跨度连续刚构桥健康状态的评判模型如下：所述评判模型由箱梁、支座、桥墩、桥台和基础共计五大部件组成，所述箱梁部件由跨中挠度、应变、加速度和固有频率四个指标进行评判，支座部件由支座位移和支座转角两个指标进行评判，桥墩部件由水平偏位、竖向偏位、桥面附加纵坡和沉降差四个指标进行评判，桥台部件由水平偏位和竖向偏位两个指标进行评判，基础部件由水平偏位和竖向偏位两大指标进行评判。
2.如权利要求1所述的一种大跨度连续刚构桥健康状态的监测与评判方法，其特征在于，所述静力测点和动力测点均为无线测点，每个测点传感器分别通过无线网络连接电脑控制终端或手持设备控制终端。
3.如权利要求2所述的一种大跨度连续刚构桥健康状态的监测与评判方法，其特征在于，所述测点传感器，包括定位传感器、应变传感器、水平加速度传感器、竖向加速度传感器和转角测试传感器。
4.如权利要求1所述的一种大跨度连续刚构桥健康状态的监测与评判方法，其特征在于，在步骤（6）完成后还包括以下步骤（7）：
根据步骤（6）得出的大跨度连续刚构桥整体健康状态，确定由桥梁检测和维护策略大数据统计分析得出的管养策略，并通过无线网络实时反馈到大跨度连续刚构桥的监控中心和桥梁养护工作人员的手持PDA设备。
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