CN1740444A - 一种桥梁远程监测评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁远程监测评价方法，它是一种应用桥梁结构可靠度计算分析方法进行桥梁远程监测评价的方法。它包括下列步骤：桥梁监测信息的预处理，桥梁监测信息的分布与检验，荷载效应统计参数分析，桥梁结构建设资料的收集与积累，桥梁结构截面、材料、计算模式不定性分析，桥梁抗力统计参数分析计算，桥梁结构可靠度计算模式的确定，桥梁结构控制截面可靠度计算，不同桥梁的失效模式分析，桥梁结构的体系可靠度计算分析，目标可靠指标的确定与桥梁安全评价和显示。

Description

一种桥梁远程监测评价方法

技术领域

本发明涉及一种桥梁远程监测评价方法。

背景技术

众多的桥梁安全事故表明，桥梁的安全问题已成为重大社会问题。研究安全、客观可靠的桥梁安全监测技术及评价体系势在必行。为了保证桥梁的安全，需对其作出及时、客观、科学的安全性评估。为了达到安全性评估的目的，通常有两种做法：即荷载试验检测和长期健康监测。荷载试验检测存在具有间断性、需中断交通、重复花费大量的人力、物力、财力等弊端。桥梁的长期健康监测可克服上述缺点，其能实现在不中断交通的情况下，实现长期监测，达到及时评估桥梁安全状态和预警预报的目的。所以，开展桥梁的长期健康监测研究意义重大。

然而，桥梁的长期健康监测也遇到了技术难题，那就是如何利用监测数据及时作出客观、科学地评估桥梁安全状态，达到预警预报的目的。桥梁监测测点多，监测数据海量，如不及时处理监测数据，将会造成数据灾难，影响桥梁的安全评估。譬如，现在的香港青马大桥，投入了数千万元经费用于桥梁的远程监测，在硬件投入方面堪称世界桥梁长期监测之典范之一，然而由于其缺乏一有效、可靠的评价体系，使得桥梁监测数据得不到及时处理，数据存储光盘堆满了几个房间，造成了严重的数据灾难，极大地影响了桥梁远程监测效益的发挥。因此，提出并完善便于推广应用的桥梁长期监测安全评价体系非常必要且显得非常迫切。

桥梁远程监测评价是桥梁远程智能监测系统的重要组成部分，它的实现对保证系统的顺利实施将起到关键作用。然而以下因素制约着桥梁远程监测评价的发展：

(1)桥梁是由多种材料、不同结构组合而成的大型综合复杂系统，不确定性因素多；

(2)桥梁复杂的工作环境对结构模态响应的灵敏性造成了不利影响，测试信号存在较大的噪音；

(3)桥梁在使用年限内工作特性的变化缺乏全面深入的认识，桥梁缺损状态的评价缺乏统一有效的综合性指标。

目前主要有动力指纹分析或模式识别评价技术、模型修正法、遗传算法、神经网络法等研究方向，并且也进行了一些实践。在其它方面，通过强迫振动，能够分析模态参数对桥梁结构局部变化的反应；证明了用环境振动法进行桥梁自动检测的可行性。

至今，未形成系统的理论与方法。因此研究出可靠、新颖、安全的桥梁安全评价体系意义重大且迫切。

发明内容

本发明需要解决的技术问题就在于克服现有技术中没有一种可靠、新颖、安全的桥梁安全评价方法的缺陷，提供一种桥梁远程监测评价方法。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种桥梁远程监测评价方法，其特征在于它是一种应用桥梁结构可靠度计算分析方法进行桥梁远程监测评价的方法。

工程结构在规定时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率，称为工程结构可靠度。规定时间指的是对结构进行可靠度分析时，结合结构使用期，考虑各种基本变量与时间的关系所取用的基准时间；规定的条件是指结构正常设计、正常施工和正常使用的条件，即不考虑人为过失的影响；预定功能是指以下四项基本功能：

(1)正常施工和使用时，结构能承受可能出现的各种作用；

(2)在正常使用时，结构具有良好的工作性能；

(3)在正常维护下，结构具有足够的耐久性能；

(4)在设计规定的偶然事件发生时和发生后，结构能够保持必需的整体稳定性。

本发明方法包括下列步骤：桥梁监测信息的预处理，桥梁监测信息的分布与检验，荷载效应统计参数分析，桥梁结构建设资料的收集与积累，桥梁结构截面、材料、计算模式不定性分析，桥梁抗力统计参数分析计算，桥梁结构可靠度计算模式的确定，桥梁结构控制截面可靠度计算，不同桥梁的失效模式分析，桥梁结构的体系可靠度计算分析，目标可靠指标的确定与桥梁安全评价和显示。

桥梁监测信息的预处理：在桥梁上安装监测元件，测试关键截面的应变和挠度值信息，通过“去伪存真”，过滤掉桥梁监测信息中的噪音，保留客观反映桥梁实际安全状况的监测信息，以用于后续的安全评价；

桥梁监测信息的分布与检验：采用课题组编的软件，通过计算机自动实现桥梁监测信息的分布类型假设—检验；

荷载效应统计参数分析：利用桥梁监测信息的分布类型假设—检验结果，得出相关统计参数；

桥梁结构建设资料的收集与积累：收集桥梁建设时期的有关资料，如砼强度、弹性模量、几何尺寸偏差等；

桥梁结构截面、材料、计算模式不定性分析：充分利用交通部桥梁结构抗力研究成果，结合桥梁的实际强度、弹性模量、几何尺寸偏差等情况，分析出桥梁结构截面、材料、计算模式不定性；

桥梁抗力统计参数分析计算：通过桥梁结构截面、材料、计算模式不定性分析，得出桥梁抗力统计参数；

桥梁结构可靠度计算模式的确定：根据桥梁的实际情况及监测信息情况，确定桥梁结构的可靠度计算模式，如采用JC法还是蒙特卡罗法；

桥梁结构控制截面可靠度计算：在桥梁荷载效应统计参数、结构抗力统计参数和可靠度计算模式的基础上，计算分析出控制截面的可靠度；

不同桥梁的失效模式分析：分析桥梁的失效模式，得出各结构破坏的相关关系；

桥梁结构的系统可靠度计算分析：在截面可靠度和失效模式分析的基础上，得出桥梁结构的体系可靠度；

目标可靠指标的确定与桥梁安全评价：根据《公路工程结构可靠度统一标准》，确定目标可靠度，并以此为依据评判桥梁的安全可靠性；

显示：把桥梁的安全可靠性评价结果通过动态曲线的方式进行显示。

本发明所述桥梁监测信息的分布与检验、荷载效应统计参数分析包括下列步骤：假设H_O，F_(X)＝F_O(X)、建立合理的统计量、给定显著性的水平α、统计判断，接受时获取μ_S、σ_S、δ_S，不接受时重返假设H_O，F_(X)＝F_O(X)步骤。

本发明的优点在于：

(1)本发明基于分布优度拟合检验的桥梁远程监测信息的动态分布处理及统计参数的摄取技术；

通过统计假设检验的基本理论、基于桥梁远程监测信息的荷载效应最大值分布及其动态拟合技术、荷载效应统计参数的动态摄取技术、基于“桥梁远程监测信息的荷载效应统计参数动态分析系统”的计算机实现研究，完善了基于分布优度拟合检验的桥梁远程监测信息的动态分布处理及统计参数的摄取技术。

(2)本发明基于桥梁远程监测的荷载效应计算模式研究；

在监测信息的动态分布处理及统计参数的摄取技术的基础上，通过对桥梁监测内容和结构受力分析，提出了基于桥梁远程监测的荷载效应计算模式。

(3)桥梁结构的截面抗力计算模式研究

通过桥梁结构抗力材料不定性、几何尺寸不定性、计算模式不定性的分析，利用交通部已有研究成果，结合桥梁实际的参数修正，提出了桥梁结构的截面抗力计算模式。

(4)本发明基于远程监测的桥梁可靠性评价方法研究

在比较分析已有桥梁结构截面可靠度、体系可靠度计算方法的基础上，根据桥梁远程监测的特点、要求，提出基于远程监测的桥梁可靠性评价方法，并结合具体桥梁提供了成果分析。

(5)本发明基于可靠度理论的桥梁远程监测评价应用实践

本发明：

(1)首次将可靠度理论应用于桥梁远程监测安全评价；

(2)提出基于远程监测信息分析的桥梁截面荷载效应计算分析方法；

(3)提出了基于样本追加链的桥梁抗力统计参数修正方法；

(4)提出基于桥梁远程监测的可靠度的计算理论与方法；

(5)丰富和发展了可靠度理论的内涵和应用范畴。

附图说明

图1为本发明方法步骤框图。

图2为本发明桥梁监测信息的分布与检验、荷载效应统计参数分析实施框图。

图3为本发明所述实施例基于主梁挠度分析的全桥体系可靠度曲线图。

图中：1：实际可靠指标；2：分析可靠指标；3：目标可靠指标。

具体实施方式

如图1、图2所示，按下列步骤进行桥梁远程监测评价

桥梁监测信息的预处理：在桥梁上安装监测元件，测试关键截面的应变和挠度值信息，通过“去伪存真”，过滤掉桥梁监测信息中的噪音，保留客观反映桥梁实际安全状况的监测信息，以用于后续的安全评价；

桥梁监测信息的分布与检验：采用课题组编的软件，通过计算机自动实现桥梁监测信息的分布类型假设—检验；

荷载效应统计参数分析：利用桥梁监测信息的分布类型假设—检验结果，得出相关统计参数；

桥梁结构建设资料的收集与积累：收集桥梁建设时期的有关资料，如砼强度、弹性模量、几何尺寸偏差等；

桥梁结构截面、材料、计算模式不定性分析：充分利用交通部桥梁结构抗力研究成果，结合桥梁的实际强度、弹性模量、几何尺寸偏差等情况，分析出桥梁结构截面、材料、计算模式不定性；

桥梁抗力统计参数分析计算：通过桥梁结构截面、材料、计算模式不定性分析，得出桥梁抗力统计参数；

桥梁结构可靠度计算模式的确定：根据桥梁的实际情况及监测信息情况，确定桥梁结构的可靠度计算模式，如采用JC法还是蒙特卡罗法；

桥梁结构控制截面可靠度计算：在桥梁荷载效应统计参数、结构抗力统计参数和可靠度计算模式的基础上，计算分析出控制截面的可靠度；

不同桥梁的失效模式分析：分析桥梁的失效模式，得出各结构破坏的相关关系；

桥梁结构的系统可靠度计算分析：在截面可靠度和失效模式分析的基础上，得出桥梁结构的系统可靠度；

目标可靠指标的确定与桥梁安全评价：根据《公路工程结构可靠度统一标准》，确定目标可靠度，并以此为依据评判桥梁的安全可靠性；

显示：把桥梁的安全可靠性评价结果通过动态曲线的方式进行显示。

其中，本发明所述桥梁监测信息的分布与检验、荷载效应统计参数分析包括下列步骤：假设H_O，F_(X)＝F_O(X)、建立合理的统计量、给定显著性的水平α、统计判断，接受时获取μ_S、σ_S、δ_S，不接受时重返假设H_O，F_(X)＝F_O(X)步骤。

具体计算如下：

对于高家花园嘉陵江大桥的正截面强度，共设有5个混凝土应变监测断面，分别位于右岸边跨1/3、右岸主墩顶部两侧、主跨跨中及左岸边跨1/3，序号依次为I、II、III、IV、V截面。

(1)计算依据

1)高家花园嘉陵江大桥竣工图。

2)中华人民共和国交通部标准：《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTGD62-2004)》，下称《公预规》。

3)设计荷载等级：汽车-超20，挂120，人群3.5kN/m²。

(2)受压区有效分布宽度的确定

受压区有效分布宽度按照《公预规》第4.2.3条规定计算。该桥监控断面箱梁翼缘总宽为15.36m，其腹板厚度为40、50、60及100cm时，b₂分别为360、350、340及300cm。

1)边跨

监控截面边跨l_i＝0.8l＝112m，b_i/l_i＝0.027～0.032＜0.05，查《公预规》图4.2.3-2可知，b_m2/b₂＝1，即有效宽度为箱梁翼缘的实际宽度；b₁与b₃的计算过程与此相似，有效宽度也为箱梁翼缘的实际宽度。故，上翼缘b_m＝15.36m，底板b_m＝8.0m。

2)中跨

监控截面中跨l_i＝0.6l＝144m，b_i/l_i＜0.05，有效宽度亦为箱梁翼缘的实际宽度。即，上翼缘b_m＝15.36m，底板b_m＝8.0m。

总上所述，取箱梁顶板有效分布宽度为15.38m，底板有效分布宽度为8.0m。

(3)截面类型判断

1)当f_sdA_s+f_pdA_p≤f_cdb_f′h_f′+f_sd′A_s′+(f_pd′-σ_p0′)A_p′时，应以宽度为b_f′的矩形截面，称为第一类截面，采用《公预规》第5.2.2条的公式计算正截面抗弯承载力。

其中，f_sd、f_sd′——非预应力钢筋抗拉、压强度；

f_pd、f_pd′——预应力钢筋抗拉、压强度；

f_cd——混凝土轴心抗压强度；

A_s、A_s′——受拉区、受压区非预应力钢筋的截面面积；

A_p、A_p′——受拉区、受压区预应力钢筋的截面面积；

σ_p0′——受压区预应力筋A_p′合力点处混凝土法向应力为零时的预应力筋的应力。对后张法σ_p0′＝σ_con′-σ_l′+α_EPσ_pc′；

h_f′——截面受压翼缘高度；

b_f′——受压翼缘计算宽度；

b——腹板宽度之和。

第一类截面计算步骤：

a)受压区高度x的计算：

由f_sdA_s+f_pdA_p＝f_cdb_f′x+f_sd′A_s′+(f_pd′-σ_p0′)A_p′计算截面受压区高度：

$x=\frac{f_{\mathrm{sd}}{A}_s+f_{\mathrm{pd}}{A}_p-f_{\mathrm{sd}}^{\′}{A}_s^{\′}-(f_{\mathrm{pd}}^{\′}-{\mathrm{\σ}}_{p0}^{\′})A_p^{\′}}{f_{\mathrm{cd}}{b}_f^{\′}}$

b)抗弯承载力的计算

受压区高度x须同时符合以下条件：

①x≤ξ_bh₀

②当受压区同时配有普通钢筋及预应力钢筋，且预应力钢筋受压即(f_pd′-σ_p0′)为正时，应满足x≥2a′；或当受压区仅配有普通钢筋或同时配有预应力钢筋，且预应力钢筋受拉即(f_pd′-σ_p0′)为负时，应满足x≥2a′_s

在此前提下：

$M_{\mathrm{Ri}}=f_{\mathrm{cd}}{b}_f^{\′}x(h_0-\frac{x}{2})+f_{\mathrm{sd}}^{\′}{A}_s^{\′}(h_0-a_s^{\′})+(f_{\mathrm{pd}}^{\′}-{\mathrm{\σ}}_{p0}^{\′})A_p^{\′}(h_0-a_p^{\′})$

否则，当

①(f_pd′-σ_p0′)为正时

M_Ri＝f_pdA_p(h-a_p-a′)+f_sdA_s(h-a_s-a′)

②(f_pd′-σ_p0′)为负时

M_Ri＝f_pdA_p(h-a_p-a_s′)+f_sdA_s(h-a_s-a_s′)-(f_pd′-σ_p0′)A_p′(a_p′-a_s′)

其中，h_f′——截面受压翼缘高度；

h₀——截面有效高度；

b_f′——受压翼缘计算宽度；

a_s′、a_p′——非预应力、预应力受压钢筋合力点至受压区边缘的距离；

a_s、a_p——受拉区非预应力、预应力钢筋合力点至受拉区边缘的距离；

a′——受压区普通钢筋和预应力钢筋合力点到受压区边缘的距离。

2)当f_sdA_s+f_pdA_p＞f_cdb_f′h_f′+f_sd′A_s′+(f_pd′-σ_p0′)A_p′时，计算中应考虑截面腹板受压的作用，称为第二类截面。

第二类截面时由以下步骤计算：

a)受压区高度x的计算：

由f_sdA_s+f_pdA_p＝f_cd[bx+(b_f′-b)h_f′]+f_sd′A_s′+(f_pd′-σ_p0′)A_p′，

$x=\frac{f_{\mathrm{sd}}{A}_s+f_{\mathrm{pd}}{A}_p-f_{\mathrm{sd}}^{\′}{A}_s^{\′}-(f_{\mathrm{pd}}^{\′}-{\mathrm{\σ}}_{p0}^{\′})A_p^{\′}-f_{\mathrm{cd}}\left[(b_f^{\′}-b)h_f^{\′}\right]}{f_{\mathrm{cd}}b}$

b)抗弯承载力的计算

①受压区高度x须满足：x≤ξ_bh₀

在此前提下：

$M_{\mathrm{Ri}}=f_{\mathrm{cd}}[\mathrm{bx}(h_0-\frac{x}{2})+(b_f^{\′}-b)h_f^{\′}(h_0-\frac{h_f^{\′}}{2})]+f_{\mathrm{sd}}^{\′}{A}_s^{\′}(h_0-a_s^{\′})+(f_{\mathrm{pd}}^{\′}-{\mathrm{\σ}}_{p0}^{\′})A_p^{\′}(h_0-a_p^{\′})$

②若x＞ξ_bh₀

取x＝ξ_bh₀，

$M_{\mathrm{Ri}}=f_{\mathrm{cd}}\mathrm{bx}(h_0-\frac{x}{2})+f_{\mathrm{cd}}(b_f^{\′}-b)h_f^{\′}(h_0-\frac{h_f^{\′}}{2})+f_{\mathrm{sd}}^{\′}{A}_s^{\′}(h_0-a_s^{\′})+(f_{\mathrm{pd}}^{\′}-{\mathrm{\σ}}_{p0}^{\′})A_p^{\′}(h_0-a_p^{\′})$

高家花园嘉陵江大桥监控截面ΔM_i计算

由材料力学公式：

ΔM_i＝I_i·E_i·ε_i/y_i

其中，I_i——某一控制截面惯性矩；

E_i——某一控制截面弹性模量；

ε_i——某一控制截面监测应变值；

y_i——某一控制截面监测应变点到中和轴的距离。

基于主梁挠度分析的全桥体系可靠度

                 基于主梁挠度分析的高家花园大桥可靠性分析

监测截面	实际可靠度		分析可靠度
					可靠指标β	体系可靠指标β	可靠指标β	体系可靠指标β
	O	6.0	6.0	4.47～6.0					4.31～6.0
I					6.0	6.0	4.51～6.0
	I′	6.0	6.0	4.44～6.0
II					6.0	6.0	4.75～6.0
	II′	6.0	6.0	4.45～6.0
IV					6.0	6.0	4.53～6.0

IV′	6.0	6.0	4.41～6.0
					V	6.0	6.0	4.42～6.0
VI′	6.0	6.0	4.53～6.0

由表看出，各监测截面的实际动态可靠度和全桥体系可靠度均为6.0，而且各监测截面及全桥的分析可靠度也均超过《公路工程可靠度标准》的取值4.2，表明高家花园大桥主梁刚度具有较大的安全储备，结构处于安全的营运状态。

基于主梁挠度分析的全桥体系可靠度曲线图如图3所示，其中：1为实际可靠指标；2为分析可靠指标；3为目标可靠指标。

Claims (4)

1、一种桥梁远程监测评价方法，其特征在于它是一种应用桥梁结构体系可靠度计算分析方法进行桥梁远程监测评价的方法。

2、如权利要求1所述的桥梁远程监测评价方法，其特征在于它包括下列步骤：桥梁监测信息的预处理，桥梁监测信息的分布与检验，荷载效应统计参数分析，桥梁结构建设资料的收集与积累，桥梁结构截面、材料、计算模式不定性分析，桥梁抗力统计参数分析计算，桥梁结构可靠度计算模式的确定，桥梁结构控制截面可靠度计算，不同桥梁的失效模式分析，桥梁结构的体系可靠度计算分析，目标可靠指标的确定与桥梁安全评价和显示。

3、如权利要求2所述的桥梁远程监测评价方法，其特征在于它包括下列步骤：

桥梁监测信息的预处理：在桥梁上安装监测元件，测试关键截面的应变(应力)和挠度值信息，通过去伪存真，过滤掉桥梁监测信息中的噪音，保留客观反映桥梁实际安全状况的监测信息，以用于后续的安全评价；

桥梁监测信息的分布与检验：通过计算机自动实现桥梁监测信息的分布类型的假设与检验；

荷载效应统计参数分析：利用桥梁监测信息的分布类型的假设与检验结果，得出相关统计参数；

桥梁结构建设资料的收集与积累：收集桥梁建设时期的有关资料，如砼强度、弹性模量、几何尺寸偏差等；

桥梁结构截面、材料、计算模式不定性分析：充分利用交通部桥梁结构抗力研究成果，结合桥梁的实际强度、弹性模量、几何尺寸偏差等情况，分析出桥梁结构截面、材料、计算模式不定性；

桥梁抗力统计参数分析计算：通过桥梁结构截面、材料、计算模式不定性分析，得出桥梁抗力统计参数；

桥梁结构可靠度计算模式的确定：根据桥梁的实际情况及监测信息情况，确定桥梁结构的可靠度计算模式采用蒙特卡罗法；

桥梁结构控制截面可靠度计算：在桥梁荷载效应统计参数、结构抗力统计参数和可靠度计算模式的基础上，计算分析出控制截面的可靠度；

不同桥梁的失效模式分析：分析桥梁的失效模式，得出各结构破坏的相关关系；

桥梁结构的系统可靠度计算分析：在截面可靠度和失效模式分析的基础上，得出桥梁结构的体系可靠度；

目标可靠指标的确定与桥梁安全评价：根据《公路工程结构可靠度统一标准》，确定目标可靠度，并以此为依据评判桥梁的安全可靠性；

显示：把桥梁的安全可靠性评价结果通过动态曲线的方式进行显示。

4、如权利要求3所述的桥梁远程监测评价方法，其特征在于：所述桥梁监测信息的分布与检验、荷载效应统计参数分析包括下列步骤：假设H_O，F_(X)＝F_O(X)、建立合理的统计量、给定显著性的水平α、统计判断，接受时获取μ_S、σ_S、δ_S，不接受时重返假设H_O，F_(X)＝F_O(X)步骤。

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