桥梁安全监测预警阀值一般设置方法

2018-03-12

福建质量管理 2018年4期

关键词：预警阈值条件

(重庆交通大学土木工程学院重庆 400000)

健康监测系统的监测目标是结构的正常使用极限状态，在达到该状态之前，给出一个预告警戒线，在警戒线之内则认为结构处于安全试用状态，超出这一警戒线则认为结构受载较大，提示运营者关注桥梁的状态。警戒线的给出符合认定思维，给桥梁的管理养护带来方便。

为准确判定结构运营状态，并适时进行预警报警，需在监测系统程序中给定参数的判定界限值，即所谓的阈值。

一般可将安全等级分为三级：提醒、警告、报警。

1)提醒状态表明桥梁的部分结构出现轻微损伤，但结构整体仍能处于正常的工作状态，需要密切关注损伤部位和损伤的发展。

2)警告状态表明桥梁的部分结构或关键部位出现了一定程度的损伤，桥梁需要维修才能满足使用要求，应该限载通行且对桥梁进行全面的检查。

3)报警状态表明桥梁的部分结构或关键部位出现了严重功能退化，应立即关闭交通，桥梁必须经过加固或者大修才能继续使用。

一、预警阀值设置一般方法

(一)预警参数的确定。预警参数是指用于预警的桥梁特征参数，包括直接测试参数和衍生参数。预警参数的确定需考虑自动化数据采集子系统的测试项目，保证预警参数能被稳定可靠地采集和计算。同时预警参数要能突出地反映结构的受力状态。

桥梁的预警参数主要包括主梁跨中挠度、主梁纵位移(伸缩缝宽度)、主梁应力、风速、交通荷载、主梁振动特性参数等。

(二)预警指标的确定。预警指标是指预警参数的预警限值，通常对于单指标预警而言，当预警参数值超过预警指标，则代表预警参数已超过结构容许限值。预警指标分为两种：1级预警指标和2级预警指标，1级预警指标大致对应于桥梁结构正常使用极限状态，2级预警指标对应于桥梁结构承载力极限状态，一般1级预警指标取2级预警指标的0.8倍。

预警指标的确定方法目前分为两种：无模型预警方法和有模型预警方法。

1)无模型方法。无模型预警方法是以往监测系统主要进行监测数据分析和预警的主要方法，它建立在监测数据统计及简单数据分析的基础上，对桥梁的结构响应实时监测数据直接进行处理，通过规范、历史记录、交通流量、环境参数等建立预警指标。通常根据不同情况设定不同的预警指标，对不同的预警指标采取不同的处理方法。

2)有模型方法。有模型预警方法需基于桥梁基准有限元模型。利用桥梁基准有限元模型计算桥梁主要亚临界状态(即桥梁的主要危险状态)下桥梁预警指标值。

结构健康监测系统阈值的确定目前一般采用以下几种方法：

1)计算分析。计算分析法采用经修正过的有限元模型，计算在正常使用荷载状态下结构的反应，并给出传感器监测点的参数的理论变化区间。

2)基于实测数据的统计规律。对于某些受力复杂、理论计算结果仅作为参考时，可以对某一变量进行长时间地连续观测，并分析观测数据的统计规律，以此统计规律作为后续结构监测的阈值。

3)规范值。对于某些非结构参数的阈值可以根据规范规定限制给定，如普通钢筋混凝土结构的裂缝宽度规范限制为0.2mm。

4)不确定值。对于风荷载或地震作用，属于环境作用，其作用大小根据其超越概率的大小可能属于SLS或ULS状态。因此，监测与此对应的结构振动参数则没有确定的阈值。可以根据监测结果进行离线分析，从而确定结构有无损伤发生。

(三)预警条件的确定。预警条件是指处于预警状态时各预警参数和相应的预警指标所满足的条件。预警条件分为单一预警条件和组合预警条件。单一预警条件针对单一预警参数而言，只要此预警参数超过对应的预警指标，则预警条件成立；组合预警条件针对多个预警参数，只有当满足一定组合的多个预警参数均达到预警指标时才认为预警条件成立。考虑到测试误差和异常干扰的影响，只靠单一预警条件进行预警可靠性不高，因此桃花峪黄河大桥结构安全预警模块采用组合预警条件进行预警。

根据使用的预警指标的不同，预警条件分为1级预警条件和2级预警条件。

(四)预警等级的划分

对于桥梁危险状态通常采用三级预警：

1)一级(黄色)预警。当1级预警条件偶然成立，且2级预警条件不成立时，进行黄色预警。黄色预警启动，说明桥梁结构已开始出现超过正常使用极限状态的情况，此事需引起桥梁管理部门的注意，但桥梁目前尚不存在安全问题。

2)二级(橙色)预警。当1级预警条件频繁成立，且2级预警条件偶然成立时，进行橙色预警。橙色预警启动，说明桥梁结构长期出现超过正常使用极限状态的情况，且有时已开始出现超过承载力极限状态的情况，此时需引起桥梁管理部门的高度注意，桥梁目前已存在安全问题，或者可能存在重大安全问题。

3)三级(红色)预警。当2级预警条件频繁成立时，进行红色预警。红色预警启动，说明桥梁结构长期出现超过承载力极限状态的情况，此时桥梁极有可能已出现重大安全问题，桥梁管理部门必须立刻启动应急预案。

二、预警阀值设置的示例

不同监测参数需根据具体情况采用适当的方法设定阈值。

为对结构响应范围进行界定，制定各测点阈值范围，特建立有限元模型进行计算分析。尽管如此，上述计算值只能作为健康监测系统的一个初步设定值，在后续的长期监测过程中应在海量数据分析的基础上评估阈值设定初值的合理性。

警戒值的大小取为正常运营极限值(阈值)的75%，此时的安全系数为1/0.75=1.33，预留了部分空间以判断是否需要对结构构件的运营状态监测结果进行详细的健康评估。香港的桥梁健康监测系统此前这一数值为0.6，根据长期监测系统的实际操作经验修改为现在的0.75，这一数值也被美国公路运输协会(AASHTO)采纳入桥梁分类办法等规范中。

按照上述原则的三级阈值(两线三状态)示意图如下图所示，‘两线’是指预警线和报警线，‘三状态’是指正常监测状态、预警状态和报警状态。