黄峰 王莹 程仁慧 蔡笑飞 张锴 程追 刘新民

摘 要：针对目前武汉市域内桥梁健康监测系统及结构安全状態评估相关研究不足的情况，以武汉市某高架箱梁桥为工程背景，通过安装在桥梁结构上的健康监测系统获得实时监测数据，概述了基于温度场时空模型、基于竖向挠度分析及层次分析法的桥梁安全评估方法，对保证桥梁安全运营有着一定的理论价值和现实意义，可为同类桥梁健康状况评估研究提供参考。

关键词：小箱梁桥;健康监测;温度场;安全状态评估;层次分析法

0 引言

现阶段我国基础设施建设仍在不断发展中以满足人们的生活和社会发展需要，其中桥梁结构是基础设施中最终要的组成部分，而桥梁结构中的小箱梁桥由于其受力特点和经济适用性往往收到工程师们的青睐[1]。由于桥梁结构长时间的服役状态，容易收到环境因素（如：温度和风速等）和人为因素（如：施工和形成等）的影响，进而导致桥梁结构发生损伤，因此桥梁结构的安全状态评估研究显得尤为重要[2-3]。目前学者们对小箱梁桥的安全状态评估研究并不深入，存在着安全评估方法的选取以及设计优化等问题[4-5]。

对桥梁结构实现安全状态评估必须依赖于对桥梁结构监测的数据，为了采集到这些数据需要在桥梁结构内部安装监测系统，以便实时的获取桥梁健康信息。且该监测系统能够力和物力去评估桥梁的健康状态，同时也能不间断的获取进行桥梁监测所需要的信息[6]。安徽大学和清华大学孙雅琼等[7]针对合肥市高架桥依据现场的实时数据建立了适用于该类型桥的一套评估方法

本文以武汉地区某在役混凝土小箱梁桥为研究对象，根据小箱梁的结构特点，截面情况和所处的环境条件建立起适用于小箱梁的监测方案，根据现场布置传感器，后期利用计算机远程下载、收集、处理和分析数据，我们利用采集的数据作为我们安全评估的指标，来建立适用小箱梁的评估方法，并把两种方法都进行验证，从而也能证明监测方案的合理性。

1 小箱梁监测测点的布置

1.1 工程概况

本节以武汉市某在役混凝土小箱梁桥为研究对象，所测共5跨，每跨长为25 m。为了获取小箱梁实时的温度数据、应力状况和相对位移，我们在南侧第一箱和中间一箱顶板、腹板和底板布设了温度传感器、振弦应变计和拉绳位移计。并且，将布置的传感器所采集到的数据作为监测指标来对该小箱梁桥进行安全状态评估[8]。

1.2 应变测点的布置

根据频率响应范围的不同，应变监测又可分为静态应变监测和动态应变监测，静态应变反映了桥梁在长期荷载缓慢作用下强度储备状况，而动态应变包含了活荷载作用下十分丰富的频率成分，结合静、动应变数据进行分析能够很好地反映实际运营桥梁在各种荷载作用下内力发展历程。考虑到经济投入与工程应用，应变监测测点的布置应力图用较少的测点反映桥梁整体最危险截面应力变化。需要结合有限元仿真分析确定危险截面，选用电阻式应变计测量动应变，振弦式应变计测量静应变，立面、断面布置见图1。

1.3 挠度和墩梁位移测点的布置

桥梁挠度变形主要是指受荷载作用影响，很多因素导致桥面比较严重的竖向变形，当桥梁处于自然环境且在服役过程中容易受到日照辐射以及大气气温的影响，会产生相应的梁端位移。一旦结构的挠度和位移产生较大的形变，将会对桥上的人车造成很大的威胁，因此采用精度较高的仪器对桥梁的挠度变形和位移定时监测，对于把控桥梁建设质量、掌握既有桥梁的运营状态具有十分重要的作用。在所有的检测设备中倾角仪可操作性强、成本低、受环境变化影响小，且测量精度高、工作量小，较适用于中小跨径的梁式桥，其优化布置图如图2。

1.4 环境参数及视频测点的布置

由于环境温度的影响会使得桥梁结构产生不同程度的变形和内力[9]，因此，在对桥梁的安装状况进行评估时需考虑温度对桥梁结构的影响。目前，各国规范中对温度梯度都有规定，因所处的地理环境不同，但是仍然不足以规范并不能反映该桥实际温度。因此，获取桥梁结构在不同的温度下的状态可以用在桥梁相应的位置布设温度传感器来实现。根据温度传感器的作用原理不同，本桥选用数字型温度传感器来监测小箱的温度变化情况，其优化布置见上图3。

车辆荷载是公路桥梁的基本可变荷载之一，是桥梁疲劳劣化最主要的原因，对车辆荷载进行实时长期监测能够为桥梁安全状态评估提供可靠依据，然而目前桥梁车辆荷载的监测还停留在传统的简易短时半人工检测阶段。

由于考虑到外界环境和人为因素，实时监测的设备都安装在桥梁结构之中，用于对监测数据的采集。各数据采集设备以传感器类型为单元，将相应各类传感器的实时监测数据集成在同一系统中，再通过连接DTU元件，将所有的实时监测数据传输至监测平台进行储存。小箱梁桥的实时监测系统选用SQL Server 2008r2模式平台软件作为数据管理中心，对各类监测指标的数据进行储存及分类管理，实现所有监测数据的可视化，并可通过对监测的数据的分析来评估桥梁的安装状态。

2 安全评估方法研究

在对小箱梁桥进行长期监测的过程中，实时监测系统会通过监测设备采集和储存大量的各类安全监测指标数据。通过计算分析各类监测指标的数据，选用合适的评估方法，可鉴定城市箱梁桥在正常运营期间是否满足使用功能和安全性的要求，及时发现结构存在的损伤并给出相应的维修加固建议，以保证城市箱梁桥的安全运营。本文依托小箱梁桥的长期监测数据，采用温度场仿真模型和层次分析法评估该箱梁桥的安全运营状况。

2.1 基于温度场时空模型的桥梁安全评估

本文通过ANSYS建立该小箱梁桥有限元模型，把Hypermesh当成连接的平台，转换ANSYS与TAITherm。在Hypermesh划分好有限元模型的网格后，将模型转化nas文件为TAITherm读取，导入其中进行有限元模型的拼接组合，赋予模型材料特性以及结构层次。进而，导出有限元模型，利用Hypermesh转化为ANSYS可读取的格式，根据TAITherm中模型特点，对应完善模型命令流，为后续的温度效应计算做好模型准备工作。

由从气象部门搜集得到的诸如气温、风速、云量等气象數据，构建出TAITherm天气文件，利用仿真模拟计算得出的温度数据与实测结果进行对比，完善小箱梁桥有限元模型，得出符合全年武汉地区天气条件的数值计算模型。本文计算温度效应的流程为：首先ANSYS建立小箱梁的几何模型，把Hypermesh作为中介，其次利用热力学软件建立仿真模型与实测对比;接着通过Matlab平台将Taitherm中计算温度场数据转换成温度荷载，并施加在Ansys模型上;最后根据ANSYS模型计算出桥梁结构的极端有效温度和最不利温度梯度[10]。

小箱梁桥墩顶支座处布置有竖向和径向位移传感器，通过实时监测箱梁的变形情况，对竖向位移监测数据进行统计分析及小波分析，滤除汽车荷载、风荷载等高频部分，通过相关性分析，拟合小箱梁支座高度的变化曲线，预测支座的病害发生。对径向位移监测数据进行统计分析及时频分析，通过相关性分析，拟合温差作用下箱梁径向位移的变化曲线，针对寒潮期间，该小箱梁桥梁端位移以及梁底应力的变化做出相关分析，通过小箱梁桥温度场演化模型和通用结构分析软件，预测和评估夏季极热和寒潮天气情况下小箱梁桥的安全运营状况。

2.2 基于层次分析法的桥梁安全评估

桥梁结构安全监测系统的最终目标就是基于监测系统中各项监测指标产生的大量信息进行分析，由此来准确、有效、方便地判定结构的健康状况。在本文针小箱梁桥的实际情况，在全面考虑桥梁结构中各监测指标对桥梁整体结构影响的基础上，对桥梁进行了层次划分，设置了安全评估层次分析模型，确定了不同指标的权重，并通过限值储备量法确定了同一指标不同位置测点的权重，最终通过底层指标无量纲评价打分逐级向上，获得桥梁整体结构的评分，继而确定桥梁所处等级及后续维护方法。首先应依据重要性、敏感性、独立性、简单性等原则确定箱梁桥评估指标，接着建层次结构模型对其安全状态进行评估，最后根据各指标权重分析判定指小箱梁的安全运营状态，如图4所示。

根据层次分析法，对桥梁结构进行安全状态评估的流程可分为：

（1）将桥梁结构的评估指标共分为三个层次，且确定各个等级所包含的指标参数及相关权重。

（2）对所采集到的各指标数据进行处理，并评估指标的分数。

（3）根据各指标分数计算出桥梁结构的总分，进而确定桥梁结构的安全等级。

其中本文根据实时监测的数据情况确定应变、变形和环境指标，分别为0.25、0.5和0.25，且最底层指标的权重均设置为0.5。

3 结论

本文通过在武汉市某混凝土桥梁的关键截面布设各种传感器，完成了对该桥温度、应力、挠度及位移等指标的实时监测，并通过网络通信技术对所有的监测数据进行传输与存储，建立起适用于该类型桥的健康监测方案，基于各类指标的实时监测数据，采用建立温度场仿真模型和层次分析法等安全评估方法对小箱梁桥的安全运营状态进行评估。

（1）城市小箱梁桥所处地理环境复杂，且关于城市桥梁的安全事故时有发生，桥梁安全问题备受公众的关注，本文通过对武汉市某混凝土高架桥展开研究，形成了一套经济、适用并且较为完备的健康监测方案。

（2）在分析监测数据对城市箱梁桥进行安全评估时，可采用两种方法进行评估，验证各方法的评估结果，实现不同评估方法之间的优势互补，使评估结果更加准确。

参考文献：

[1]Xuan J，Zhuo Y，Xiaodan H，et al. Proble ms in Bridge Health Monitoring and Application of Intelligent Monitoring Technology[J].IOP Conference Series： Earth and Environ mental Science，2019，267（5）：1-6.

[2]李瑞丰.基于监测响应相关性的中小跨径桥梁的结构状态监测[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2020.

[3]刘玉贵.我国建筑工业化的发展和思考[J].广州建筑，

2016，44（3）：8-12.

[4]周岳，朱毅，李高堂.桥梁智能化健康监测研究现状分析[J].广州建筑，2019，47（4）：3-7.

[5]毛琳，林旭，代力.中小跨径桥梁结构安全状态评估研究[J].公路工程，2020，45（5）：214-219.

[6]陶悦.新光大桥健康监测数据处理方法与应用研究[D].华南理工大学，2012.

[7]孙雅琼.基于安全监测数据的桥梁预警及安全评估方法研究[D].清华大学，2018.

[8]贺拴海，赵祥模，马建，等.公路桥梁检测及评价技术综述[J].中国公路学报，2017，30（11）：63-80.

[9]刘兴法.混凝土结构的温度应力分析[M].北京：人民交通出版社，1991.

[10]雷笑，叶见曙，王毅，等.基于长期观测的混凝土箱梁温度与应变分析[J].江苏大学学报（自然科学版），2010，

31（2）：230-234+239.