CN113282988B - 一种大跨度桥梁上部结构状态评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大跨度桥梁上部结构状态评估方法及系统，该方法包括以下步骤：（1）采集大跨度桥梁上部结构的相关监测数据并进行预处理，获取主梁、桥塔和桥索的响应数据；（2）采用3A指标分别对大跨度桥梁上部结构的各类部件进行独立评估，所述3A指标包括幅值偏移量、异常度和均值波动，得到各类部件的得分；（3）设置主梁、桥塔和桥索的权重系数，结合各类部件的得分计算综合评价指标；（4）根据综合评价指标评估大跨度桥梁上部结构当前的状态。该方法及系统有利于快速、可靠地对大跨度桥梁上部结构的当前状态进行判断、评估。

Description

一种大跨度桥梁上部结构状态评估方法及系统

技术领域

本发明属于桥梁健康监测领域，具体涉及一种大跨度桥梁上部结构状态评估方法及系统。

背景技术

大跨度桥梁，如斜拉桥、悬索桥等，经过长期运营会由于荷载和环境等因素产生损伤，影响桥梁的安全性和正常使用性能，因此需要进行定期或专项的检测和维修加固。近年来，许多大跨度桥梁安装了健康监测系统，用于桥梁运营状态的评估。然而健康监测系统每天都会产生海量数据，使得评估过程对这些数据的分析和处理十分费时费力。同时如何从海量数据中提取有用的特征或指标，以准确评估桥梁结构当前的真实状态，一直是桥梁健康评估研究领域中的难题。

目前，常用的评估方法有层次分析法、基于可靠度理论的方法和五度指标评估方法等。层次分析法是对定性问题进行定量分析的一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法，通过把复杂问题中的各种因素划分为相互联系的有序层次，赋予不同权重，结合专家打分计算桥梁整体状态的评价值，但由于专家经验和权重系数的取值均存在主观性，使得层次分析法带有较强的定性判断。同时其更适合于定期评估，无法处理海量数据信息，不便于实时应用。基于可靠度的评估方法以概率统计理论为基础，能考虑荷载和抗力的不确定性，提供较好的理论框架。但应用于复杂桥梁结构时，从结构失效原理出发的可靠度分析方式困难重重，难以确定最不利构件和主要失效模式，功能函数也为难以求解的复杂非线性函数，实践可操作性和实时性差。五度指标评估方法从探索性预测的角度出发，借鉴证券技术分析方法中的K线技术指标并结合桥梁结构自身的特征进行适当简化，在现有认识和实际测量数据的基础上，建立用于桥梁监测和评估的数学模型。通过对监测数据信息进行统计分析，实现对桥梁结构工作状态的实时安全评估。但实际使用过程中五度指标计算过程较为复杂繁琐，对数据处理的要求性高，且评估过程未将桥梁的各类部件视为一个体系，难以实现对桥梁体系的综合性评估。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大跨度桥梁上部结构状态评估方法及系统，该方法及系统有利于快速、可靠地对大跨度桥梁上部结构的当前状态进行判断、评估。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种大跨度桥梁上部结构状态评估方法，包括以下步骤：

(1)采集大跨度桥梁上部结构的相关监测数据并进行预处理，获取主梁、桥塔和桥索的响应数据；

(2)采用3A指标分别对大跨度桥梁上部结构的各类部件进行独立评估，所述3A指标包括幅值偏移量Ao、异常度Ad和均值波动Avf，得到各类部件的得分；

(3)设置主梁、桥塔和桥索的权重系数，结合各类部件的得分计算综合评价指标；

(4)根据综合评价指标评估大跨度桥梁上部结构当前的状态。

进一步地，所述主梁、桥塔的响应数据采用经过滤波降噪处理后的加速度数据，加速度数据均取绝对值；所述桥索的响应数据采用经过滤波降噪处理后的加速度数据，再通过模态参数识别提取基频和倍频，然后根据索力公式计算得到的索力值。

进一步地，所述幅值偏移量Ao的计算公式如下：

式中，h表示一个监测周期内响应数据的最大值，max(h,n)表示n个监测周期内响应数据的最大值，mean(h,n)表示n个监测周期内响应数据最大值的平均值。

进一步地，所述异常度Ad的计算公式如下：

式中，s表示每日监测响应数据的标准差，mean表示每日监测响应数据的平均值。

进一步地，所述均值波动Avf包括第一均值波动avf1和第二均值波动avf2，其计算公式如下：

式中，a表示一个监测周期内响应数据的均值，max(a,n)表示n个监测周期内响应数据均值的最大值，min(a,n)表示n个监测周期内响应数据均值的最小值，mean(a,n)表示n个监测周期内响应数据均值的平均值。

进一步地，步骤(2)中，设主梁、桥塔和桥索的得分为P_i，i＝1,2,3；若不满足3A指标中的某个指标，则减去相应的分数；当有任一类部件的得分低于设定的单项最低阈值时，直接判定上部结构体系安全性不足，不再进入下一步。

进一步地，步骤(2)中，设各类部件在Ao、Ad和Avf三个指标的得分分别为A1、A2和A3，各类部件的得分P_i等于其在每个指标的得分之和，即P_i＝A1+A2+A3；各类部件的每个指标A1、A2、A3分别设有一指标阈值A1_t、A2_t、A3_t，当一类部件在计算出每个指标后，分别与相应的指标阈值比较，如果满足相应的指标阈值，即表示满足这个指标，则加上相应指标的分数，如果不满足，则减去相应指标的分数，最终得到该类部件的得分P_i。

进一步地，步骤(3)中，设置主梁、桥塔和桥索的权重系数为ω_i，i＝1,2,3，将主梁、桥塔和桥索的得分乘以相应的权重系数后再相加，以此计算上部结构的综合得分TS，即综合评价指标：

TS＝P₁×ω₁+P₂×ω₂+P₃×ω₃

然后再根据综合得分判断上部结构的状态。

本发明还提供了一种大跨度桥梁上部结构状态评估系统，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并能够在处理器上运行的计算机程序，当处理器运行该计算机程序时，实现所述的方法步骤。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：针对目前大跨度桥梁评估方法计算复杂、不便于工程现场人员理解和应用、海量数据下处理实时性不佳等问题，提出了一种海量数据下基于3A指标的大跨度桥梁上部结构状态评估方法及系统，该方法易于实现，计算简单便捷，便于桥梁管理人员在现场进行应用，可用于对大跨度桥梁上部结构各部件的当前状态进行快速判断，直观体现大跨度桥梁上部结构的安全状态，具有很强的实用性和广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例的方法实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种大跨度桥梁上部结构状态评估方法，包括以下步骤：

(1)采集大跨度桥梁上部结构的相关监测数据并进行预处理，获取主梁、桥塔和桥索的响应数据。对于斜拉桥，桥索对应部件名称为拉索或斜拉索，而对于悬索桥，桥索对应部件名称为吊索。

(2)采用3A指标分别对大跨度桥梁上部结构的各类部件进行独立评估，所述3A指标包括幅值偏移量Ao(Amplitude offset)、异常度Ad(Abnormal degree)和均值波动Avf(Average value fluctuation)，得到各类部件的得分。

(3)设置主梁、桥塔和拉索(吊索)的权重系数，结合各类部件的得分计算综合评价指标。

(4)根据综合评价指标评估大跨度桥梁上部结构当前的状态。

下面对本方法涉及的相关技术内容具体说明如下。

1、桥梁响应数据提取

上部结构的各类部件包括主梁、桥塔和拉索(吊索)。

其中，主梁、桥塔的响应数据采用经过滤波降噪处理后的加速度数据，加速度数据均取绝对值。

拉索(吊索)的响应数据采用经过滤波降噪处理后的加速度数据，再通过模态参数识别提取基频和倍频，然后根据索力公式计算得到的索力值。

2、桥梁部件状态评估

利用3A指标分别对主梁、桥塔和拉索(吊索)三类部件进行评估。

2.1、Amplitude offset(幅值偏移量)

对于桥塔和主梁的振动加速度数据，可以规定其超限阈值，用来判断部件的状态。基于数据中的最大值反映部件最不利状态的特性，本发明提出幅值偏移量指标，用来分析相应部件最大加速度的变化情况。若部件的最大加速度变化过大，就有超过规定阈值的可能，预示部件可能发生损伤。

拉索(吊索)在上部结构中是非常重要的部件，而现实中索力是始终变化的。若拉索(吊索)承受的索力过大，可能导致拉索(吊索)的损坏。

所述幅值偏移量Ao的计算公式如下：

式中，h表示一个监测周期内响应数据的最大值，max(h,n)表示n个监测周期内响应数据的最大值，mean(h,n)表示n个监测周期内响应数据最大值的平均值。

2.2、Abnormal degree(异常度)

变异系数是概率分布离散程度的一个归一化量度，定义为标准差与平均值之比。一般在比较两组数据的离散程度时，由于测量尺度或量纲不同，不宜直接使用标准差，故可采用变异系数来消除影响。

大跨度桥梁每日的监测数据是不断变化的，为更好地研究数据的离散程度，本发明提出异常度指标来判断监测数据的异常程度，进而掌握桥梁的运营状况。

所述异常度Ad的计算公式如下：

式中，s表示每日监测响应数据的标准差，mean表示每日监测响应数据的平均值。

2.3、Average value fluctuation(均值波动)

数据均值能反映大跨度桥梁在一段时间内的基本状态，为此本发明提出均值波动指标，通过均值的波动情况来判断桥梁部件的状态变化。

所述均值波动Avf包括第一均值波动avf1和第二均值波动avf2，其计算公式如下：

式中，a表示一个监测周期内响应数据的均值，max(a,n)表示n个监测周期内响应数据均值的最大值，min(a,n)表示n个监测周期内响应数据均值的最小值，mean(a,n)表示n个监测周期内响应数据均值的平均值。

在本实施例中，设主梁、桥塔和拉索(吊索)的得分为P_i(i＝1,2,3)，满分为100分。若不满足3A指标中的某个指标，则减去相应的分数。当有任一类部件的得分低于设定的单项最低阈值(本实施例中为50分)时，直接判定上部结构体系安全性不足，不再进入下一步。

设各类部件在Ao、Ad和Avf三个指标的得分分别为A1、A2和A3，各类部件的得分P_i等于其在每个指标的得分之和，即P_i＝A1+A2+A3；各类部件的每个指标A1、A2、A3分别设有一指标阈值A1_t、A2_t、A3_t，当一类部件在计算出每个指标后，分别与相应的指标阈值比较，如果满足相应的指标阈值，即表示满足这个指标，则加上相应指标的分数，如果不满足，则减去相应指标的分数，最终得到该类部件的得分P_i。

在本实施例中，对于Ao和Ad这两个指标，将计算得到的Ao、Ad分别与指标阈值A1_t、A2_t比较，如果分别满足，则分别得到A1、A2，如果不满足，则减去相应分数。而对于Avf这个指标，设置了两个指标阈值A3_t1、A3_t2，分别计算avf1、avf1+avf2，然后将其分别与指标阈值A3_t1、A3_t2比较，如果同时满足A3_t1、A3_t2，则得到A3，指标阈值A3_t1、A3_t2只要有一项不满足，则扣除A3得分。

3、综合评价指标

大跨度桥梁评估不应仅限于部件，为了解桥梁上部结构的整体状况，本发明进一步提出一种综合评价指标，通过引入权重系数对上部结构体系进行总体评价，更便于从宏观角度了解桥梁状态。

在进行综合性评估时，不同部件的重要性是不同的，要赋予不同的权重系数。以斜拉桥为例，拉索用于连接主梁和桥塔，其健康状况直接影响斜拉桥上部结构的状态，因此重要性高于主梁和桥塔，据此赋予主梁、桥塔和拉索不同的权重系数，用以计算综合指标。

在本实施例中，设置主梁、桥塔和拉索(吊索)的权重系数为ω_i(i＝1,2,3)，将主梁、桥塔和拉索(吊索)的得分乘以相应的权重系数后再相加，以此计算上部结构的综合得分TS，即综合评价指标：

TS＝P₁×ω₁+P₂×ω₂+P₃×ω₃

然后再根据综合得分判断上部结构的状态，得分与相应的评估状态见表1。

表1得分及相应评估状态

本实施例还相应提供了一种大跨度桥梁上部结构状态评估系统，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并能够在处理器上运行的计算机程序，当处理器运行该计算机程序时，实现上述的方法步骤。

基于本发明所提出的方法及系统，现对某斜拉桥上部结构的状态进行分部件及综合性评估：

1.数据提取阶段

通过监测系统采集主梁、桥塔和拉索的加速度实测数据，并进行滤波降噪预处理。主梁和桥塔采用加速度绝对值；索力数据经模态参数识别后提取基频和倍频，再根据索力公式计算得到索力值。

2.部件评估阶段

利用3A指标分别对主梁、桥塔和拉索进行状态评价。在3A指标中，均值波动指标更能反映桥梁在一段时间内的普遍状态，相对于幅值偏移量和异常度更重要，因此规定幅值偏移量、异常度和均值波动指标的分值分别为25分、25分和50分。另外，对主梁、桥塔和拉索进行评估时，需要根据部件的功能和重要性合理设置阈值，具体阈值设置见表2。

表2各部件3A指标的阈值

部件评估结果为：主梁的幅值偏移量指标不满足要求，得分为75分；桥塔和拉索的得分均为100分。

3.上部结构综合评估阶段

根据斜拉桥上部结构各部件的重要性程度赋予不同的权重系数，本例中设定主梁、桥塔和拉索的权重系数分别为0.25、0.25和0.5。由综合评价指标公式得：

TS＝75×0.25+100×0.5+100×0.25＝93.75分

由此得到，斜拉桥的上部结构当前处于健康状态，在所监测的时间内其状态没有发生恶化。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种大跨度桥梁上部结构状态评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采集大跨度桥梁上部结构的相关监测数据并进行预处理，获取主梁、桥塔和桥索的响应数据；

(2)采用3A指标分别对大跨度桥梁上部结构的各类部件进行独立评估，所述3A指标包括幅值偏移量Ao、异常度Ad和均值波动Avf，得到各类部件的得分；

(3)设置主梁、桥塔和桥索的权重系数，结合各类部件的得分计算综合评价指标；

(4)根据综合评价指标评估大跨度桥梁上部结构当前的状态；

所述幅值偏移量Ao的计算公式如下：

式中，h表示一个监测周期内响应数据的最大值，max(h，n)表示n个监测周期内响应数据的最大值，mean(h，n)表示n个监测周期内响应数据最大值的平均值；

所述异常度Ad的计算公式如下：

式中，s表示每日监测响应数据的标准差，mean表示每日监测响应数据的平均值；

所述均值波动Avf包括第一均值波动avf1和第二均值波动avf2，其计算公式如下：

式中，a表示一个监测周期内响应数据的均值，max(a，n)表示n个监测周期内响应数据均值的最大值，min(a，n)表示n个监测周期内响应数据均值的最小值，mean(a，n)表示n个监测周期内响应数据均值的平均值。

2.根据权利要求1所述的一种大跨度桥梁上部结构状态评估方法，其特征在于，所述主梁、桥塔的响应数据采用经过滤波降噪处理后的加速度数据，加速度数据均取绝对值；所述桥索的响应数据采用经过滤波降噪处理后的加速度数据，再通过模态参数识别提取基频和倍频，然后根据索力公式计算得到的索力值。

3.根据权利要求1所述的一种大跨度桥梁上部结构状态评估方法，其特征在于，步骤(2)中，设主梁、桥塔和桥索的得分为P_i，i＝1，2，3；若不满足3A指标中的某个指标，则减去相应的分数；当有任一类部件的得分低于设定的单项最低阈值时，直接判定上部结构体系安全性不足，不再进入下一步。

4.根据权利要求3所述的一种大跨度桥梁上部结构状态评估方法，其特征在于，步骤(2)中，设各类部件在Ao、Ad和Avf三个指标的得分分别为A1、A2和A3，各类部件的得分P_i等于其在每个指标的得分之和，即P_i＝A1+A2+A3；各类部件的每个指标A1、A2、A3分别设有一指标阈值A1_t、A2_t、A3_t，当一类部件在计算出每个指标后，分别与相应的指标阈值比较，如果满足相应的指标阈值，即表示满足这个指标，则加上相应指标的分数，如果不满足，则减去相应指标的分数，最终得到该类部件的得分P_i。

5.根据权利要求3所述的一种大跨度桥梁上部结构状态评估方法，其特征在于，步骤(3)中，设置主梁、桥塔和桥索的权重系数为ω_i，i＝1,2,3，将主梁、桥塔和桥索的得分乘以相应的权重系数后再相加，以此计算上部结构的综合得分TS，即综合评价指标：

TS＝P₁×ω₁+P₂×ω₂+P₃×ω₃

然后再根据综合得分判断上部结构的状态。

6.一种大跨度桥梁上部结构状态评估系统，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并能够在处理器上运行的计算机程序，当处理器运行该计算机程序时，实现如权利要求1-5任一项所述的方法步骤。

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