基于大跨径桥梁健康监测的桥梁技术评定方法研究.pdf

'城市建筑┃道路桥梁┃URBANISMANDARCHITECTURE┃ROADANDBRIDGE基于大跨径桥梁健康监测的桥梁技术评定方法研究■李冬冬杨忠贤[摘要]本文通过对传统健康监测系统阈值设置方法的分析，指出了该方法既有缺陷。基于“拉梅方程”，推导了空limy+间曲面阈值边界方程，建立了一种适用于桥梁健康监测系.limy+.统动态评定的评定方法。以工程实际为依托，确定了该评定方法的有效性和适用性。limx-limx+ylimx-limx+xO[关键词]健康监测系统技术状况评定方法拉梅方程Olimy-limy-大跨径桥梁健康实时监测研究是近年来桥梁工图2超椭圆形阈值模型与传统阈值模型对比程领域快速发展的分支学科之一。通过对被监测桥图1传统健康监测系统的阈值模型可以看出，采用超椭圆阈值模型后，削去了传梁应力、内力及位移等参数实时、长期、连续地监当监测数据点落在阴影区域内时，即认为结构统矩形阈值模型的尖角，增强了对危险数据点敏感测，可以让养护人员对监测桥梁的运营状况有及时处于健康状态；当数据点落在阴影区外，则认为结度。对于有n个监测变量的健康监测系统中，假设准确地了解。同时，长期、高频地监测也带来了海构出现缺陷，系统则发布预警。然而对于图中所示实际工程中某桥梁具有n个监测变量T1-Tn，则其健量的数据量。如何对海量的监测数据进行分析、处的红色数据点，结构已经出现问题，但是监测系统康监测系统的监测向量可表示为：理，最终实现对监测桥梁的技术状况进行评定，仍并不会发布预警。但实际上，较多的监测变量同时{T}＝{T1,T2,...Tn}是值得研究的问题。趋近于预警阈值的情况，对于桥梁养护管理人员而抽象地说，桥梁任一时刻的状态看作是n维向通过对健康监测系统获取的监测数据处理、分言是十分值得关注的。量空间内的一数据点，不同时刻的数据点在监测中析实现桥梁技术状况的评定，其数学本质是一个复基于此，并考虑到监测变量间协调工作的关系。值附近波动，并应该被某一范围所包含，这一范围杂的决策问题。因此，现阶段主要的桥梁技术状况本文尝试了采用矩形阈值区域内切超椭圆即为具有n个监测变量桥梁健康监测系统的预警阈评定方法多是基于运筹学基本理论发展起来的，如（super-ellipse）也称为拉梅曲线（Lamécurve）值。将二维超椭圆形阈值方程推广到n维空间里，层次分析法、模糊理论、遗传理论、灰色关联度理来作为健康监测系统的阈值。拉梅曲线可用如下表有：论等。其中，层次分析法凭借其简单的数学原理、示：(T－T)n(T－T)n(T－T)n1122m（1）良好的编程性备受工程技术人员青睐，在结构健康nnn﹢n﹢...n≤1(|x)|﹢(|y)|＝1r1r2rm监测领域应用最为成熟、广泛。但由于传统的层次(a)(b)其中，Ti（i=1，2，…m）为监测变量阈值中值，分析过程是一个静态的决策过程，即便引入变权重其中，n称为拉梅曲线的阶数。n越大，曲线边可按下式计算：分析，也难以适应健康监测系统动态的分析过程。界越接近矩形；a、b均为正数，称为半直径。﹢－鉴于此，本文对大跨径桥梁健康监测系统进行limT﹢limTT＝ii仍以两个监测变量组成的监测系统为例，其阈i了相关的了解，提出了采用n维空间的“超椭球面”2值范围如图2所示。该阈值范围可由如下方程表示：作为健康监测系统的阈值，并基于此建立了一种适ri（i=1，2，…m）为椭球方程各半直径，可按nn用于桥梁健康监测动态评估的技术状况评定方法。(x－x)(y－y)﹢≤1下式计算：nn一、超椭球阈值方程的建立rxry﹢－limT－limT现阶段，较普遍的桥梁健康监测阈值的设定方r＝ii上式中：x，y分别代表监测系统的监测变量；i法，一般仅针对单个监测变量进行。即认为当某个2n为超椭圆方程的阶数，须根据工程实际情况监测变量的实时监测值超过其预警阈值时，监测系m个监测变量桥梁健康监测系统的阈值范围为确定；统即发出预警。这种阈值设定方法思路清晰简单，n空间内的“超椭球”。当监测数据点落在“超椭球”x、y分别代表监测系统的监测阈值中值，可工程上更容易实现，在桥梁健康监测领域被广泛应内部时，认为桥梁处于健康状态；反之，则认为桥按下式计算：用。然而，这种方法是先针对单个监测变量确定阈梁存在缺陷。对于多级预警的健康监测系统，不同﹢－值，再将各个阈值统一起来形成整个健康监测的阈x＝limx﹢limx级别的预警阈值为一组大小不一的同心“超椭球”。2值系统。但归根结底，它无法反应出各个监测变量通过对“超椭球”形阈值方程的观察可知，其具有之间的相互影响，这一点是十分不符合工程实际的。limy﹢﹢limy－以下性质：此外，这种阈值系统对结构缺陷的敏感度也不y＝2（1）协调性够。如由于某种原因，悬索桥吊杆产生结构性缺陷，与传统的阈值方程不同，“椭球”形阈值方程的rx、ry分别代表超椭圆的各半直径：这种缺陷不足以引起该吊杆拉力达到预警阈值，但建立考虑了不同监测变量之间的相互影响，其原理﹢－却引起了附近吊杆拉力的增大。结构虽然出现了缺r＝limx－limx更符合工程实际。x陷，但健康监测系统却无法反映出这种缺陷并做出2（2）概率性预警。这种情况下，传统监测阈值设定方法的缺点﹢－公式左边每一项分别代表某一监测变量接近预limy－limy暴露无遗。以两个监测变量组成的监测系统为例，ry＝警阈值的概率p1的n次方，令：2假设监测变量x，y的预警阈值分别为[limx-，limx+]T－Tp＝11和[limy-，limy+]，则健康监测系统的预警阈值可1T1以由图1所示矩形阴影区域表示。其阈值方程可表常理可知，监测变量的实测值通常围绕标定值示为：－﹢－﹢limx≤x≤limx；limy≤y≤limy。在阈值区间内上下波动，且越接近标定值，实测数239 据点出现的概率越高；越接近预警阈值，数据点出或表示为：从图4中可以看出，采用本文提出的方法进行现的概率越低，如图3所示。若认为监测值刚好与n(T－T)n评估时，阈值方程阶数n的取值对评估结果影响显D＝100－100×∑ii（2）标定值相同的概率为0、与预警阈值相同的概率为rn著。通过前述分析，n值越大，阈值边界越接近矩i＝1ri1，则式（1）为所有监测变量数据概率的n次方的形边界，对危险监测数据的容忍度越小；反之，对通过式（2），即可通过实时监测数据完成监测和；认为当该值小于1时，桥梁处于健康状态，反对危险监测数据的容忍度越小。工程实际中，可以桥梁技术状况实时评定，得到与《公路桥涵养护规之则不然。即先选取代表性数据进行预分析，并结合业主单位对nnnn范》JTGH11-2004相对应的百分制得分Dr。危险数据的容忍程度，确定合理的n值。p﹢p﹢p﹢...﹢p≤1123n三、工程实例四、结语本文依托项目为某大跨径悬索桥健康监测与评综上所述，采用本文方法可以更好地满足健康估系统。为实现对该桥主缆索力、吊杆力、索塔及监测系统动态评估的要求。同时，对危险监测数据加劲梁应力、索塔及加劲梁变位等参量的实时监测具有更高的敏感性，其阈值边界条件也更加接实际与评估，全桥共设置各类压电式、光纤光栅式传感情况。此外，相比于层次分析法而言，本文提出的器148个。技术状况评定体系采用层次分析法建立，方法不需要在评估前进行繁冗的层次权重分配工各层次采用不等权重形式，权重值采取专家问卷的作，只需要确定对危险数据的容忍度即可。技术人方式综合确定。预警阈值体系采用传统单一变量模员主观参与度较低，其最终评定结果更为客观。型，当存在监测变量触及预警阈值，即发出预警提图3监测数据按概率在阈值区间内上下波动参考文献示。（3）数据敏感性[1]侯攀.自锚式悬索桥健康监测系统监测信息处理本文提取了该监测系统2012年6月一个月的监采用“超椭球”形阈值方程时，削去了传统阈与状态评估研究[D].长沙：长沙理工大学，2012.测数据统计均值分析，分别采用层次分析法和本文值方程的尖角，使整个预警边界更加平滑，并且提[2]郭飞.连续刚构桥高墩健康监测的测点优化研究提出方法分别对该月份内桥梁技术状况进行了评高了健康监测系统对数据的敏感性，对桥梁养护工[D].西安：长安大学，2004.定，得到评定结果对比曲线如图4所示。作者的意义不言而喻。[3]徐宏.大跨径悬索桥梁健康监测研究[D].西安：二、技术状况评定方法长安大学，2005.n个监测变量的健康监测系统阈值可以通过式[4]许树柏.实用决策方法：层次分析法原理[M].天（1）确定。当结构处于完全健康状态时，上式左侧津：天津大学出版社，1988.各项和值为0；当左侧和值为1时，认为结构达到[5]交通部.JTGH11—2004，公路桥涵养护技术规范承载能力极限。为使表达更直观，，可以将式（1）[S].北京：中国标准出版社，2004.进行移项并放大100倍，则有：（作者单位：中国市政工程西南设计研究总院有限(T－T)n(T－T)n(T－T)n公司，成都610081）D＝100×[1－11－22－...－m]rnnnr1r2rm图4两种方法评定结果对比（上接第216页）参考文献[4]屠苏莉.地域文化、场所精神和景观的再现[J].六、结语[1]宋婷婷，信桂玲.浅析在园林景观设计中地域文安徽农业科学，2010，38(27).因为地域文化正是因为地域的不同才有不同的化所起的作用[J].科海故事博览•科技探索，[5]唐旭.简谈江南水乡传统文化景观的延续[J].广特色，只要地域位置的不同没有消除，地域文化就2013(3).西城镇建设，2011(12)：6366.不会消除，呈现出不同的特色。针对园林的景观设[2]郭永久.园林景观设计中的地域文化解析[J].安[6]汪峰.新地域主义在城市景观设计中的运用[J].计本文认为只有根植于地域文化的土壤，不断吸收徽农业科学，2012(11).中国园林，2012(12)：60-63.外来文化的精髓，才能获得发展，得到更多认可。[3]邵龙，赵晓龙.走进人性化空间[M].石家庄：河（作者单位：山东管理学院，济南250100）北美术出版社，2011.（上接第221页）（2）文化体验与健康度——滨海公园与景观步而植物景观设计的物种选择应参照辽宁滨海地区原2.人文景观的建设道的建设生和次生群落的植物种类，并辅以观赏性好、抗逆（1）市民的有效参与度——基于可达性的位置文化体验是滨海景观带环境品质的体现，而其性强、便于养护管理的植物种类，形成优美惬意的选择和冬季活动思考载体即为滨海公园与景观步道的建设。应将滨海公效果。滨海景观带虽然沿岸进行建设，但景观节点的园及各段步道的景观雕塑、座椅、种植池、铺地、参考文献位置应科学选择，主次分明。除“五点一线”中的景观灯、垃圾桶、宣传栏、景观构筑物、售卖亭、[1]向英奇，刘淼，胡满远，等.辽宁省沿海地区景五个产业园区为重点以外，应综合考虑城市规划与更衣及淋浴室、卫生间等设计成一个系列的作品，观格局时空变化及其驱动力[J].生态学，2015，新城区的建设，选择新城区规划人口密集区域与滨不仅设施齐全便捷，并贴切的展现各个城市的风貌34(9)：2628-2630.海景观带的近点，以保证市民对于滨海景观带的可精神，彰显如上文所述的地域特色、海洋文化及产[2]李真.青岛市滨海开放空间使用状况及设计研究达性要求，也使景观带得到市民的有效参与。同时业文化，在此不再赘述。同时，应设计指示不同公[D].武汉：华中科技大学，2006.配套的城市公共交通系统应合理规划，使居民以步里数的健康步道、自行车道，使滨海景观带也成为[3]冯潇，朱瑞敏，张帆.碧波漫舞——华贸·蔚蓝行、骑行、驾驶和公交方式便捷的到达滨海景观带市民的海岸氧吧及健身场。海岸滨海景观设计解读[J].中国园林，2014(2)：区域。此外，由于辽宁沿海地处北方，除春夏秋游（3）惬意度——适宜的尺度、场地与绿荫73-77.览旺季，更应远期策划适宜的冬季活动，在滨海景海边惬意的活动有很多，如游泳戏水、沙滩漫注：本文为2014年辽宁省社会科学规划基金辽宁五观带沿线应结合设计植物群落、构筑物和小型建筑步、看日出日落、望碧海蓝天、吹晚风、拾贝壳、点一线文化景观带建设研究项目阶段性成果之一，等形成御寒御风小环境来满足市民一定程度的冬季沙滩排球足球、放风筝、骑沙地摩托等。但夏季时，项目批准号：L14DWJ018。活动需求。滨海公园与步道区域，应设计数量充足、尺度亲切、（作者单位：辽宁科技大学建筑与艺术设计学院，绿荫浓郁的惬意空间，以满足游人的防晒避暑需求。鞍山114051）240'