一種橋梁遠程監測評價方法

專利名稱：一種橋梁遠程監測評價方法
技術領域：
本發明涉及一種橋梁遠程監測評價方法。
背景技術：
眾多的橋梁安全事故表明，橋梁的安全問題已成為重大社會問題。研究安全、客觀可靠的橋梁安全監測技術及評價體系勢在必行。為了保證橋梁的安全，需對其作出及時、客觀、科學的安全性評估。為了達到安全性評估的目的，通常有兩種做法即荷載試驗檢測和長期健康監測。荷載試驗檢測存在具有間斷性、需中斷交通、重復花費大量的人力、物力、財力等弊端。橋梁的長期健康監測可克服上述缺點，其能實現在不中斷交通的情況下，實現長期監測，達到及時評估橋梁安全狀態和預警預報的目的。所以，開展橋梁的長期健康監測研究意義重大。
然而，橋梁的長期健康監測也遇到了技術難題，那就是如何利用監測數據及時作出客觀、科學地評估橋梁安全狀態，達到預警預報的目的。橋梁監測測點多，監測數據海量，如不及時處理監測數據，將會造成數據災難，影響橋梁的安全評估。譬如，現在的香港青馬大橋，投入了數千萬元經費用于橋梁的遠程監測，在硬件投入方面堪稱世界橋梁長期監測之典范之一，然而由于其缺乏一有效、可靠的評價體系，使得橋梁監測數據得不到及時處理，數據存儲光盤堆滿了幾個房間，造成了嚴重的數據災難，極大地影響了橋梁遠程監測效益的發揮。因此，提出并完善便于推廣應用的橋梁長期監測安全評價體系非常必要且顯得非常迫切。
橋梁遠程監測評價是橋梁遠程智能監測系統的重要組成部分，它的實現對保證系統的順利實施將起到關鍵作用。然而以下因素制約著橋梁遠程監測評價的發展(1)橋梁是由多種材料、不同結構組合而成的大型綜合復雜系統，不確定性因素多；(2)橋梁復雜的工作環境對結構模態響應的靈敏性造成了不利影響，測試信號存在較大的噪音；(3)橋梁在使用年限內工作特性的變化缺乏全面深入的認識，橋梁缺損狀態的評價缺乏統一有效的綜合性指標。
目前主要有動力指紋分析或模式識別評價技術、模型修正法、遺傳算法、神經網絡法等研究方向，并且也進行了一些實踐。在其它方面，通過強迫振動，能夠分析模態參數對橋梁結構局部變化的反應；證明了用環境振動法進行橋梁自動檢測的可行性。
至今，未形成系統的理論與方法。因此研究出可靠、新穎、安全的橋梁安全評價體系意義重大且迫切。

發明內容
本發明需要解決的技術問題就在于克服現有技術中沒有一種可靠、新穎、安全的橋梁安全評價方法的缺陷，提供一種橋梁遠程監測評價方法。
為解決上述問題，本發明采用如下技術方案本發明一種橋梁遠程監測評價方法，其特征在于它是一種應用橋梁結構可靠度計算分析方法進行橋梁遠程監測評價的方法。
工程結構在規定時間內，在規定的條件下，完成預定功能的概率，稱為工程結構可靠度。規定時間指的是對結構進行可靠度分析時，結合結構使用期，考慮各種基本變量與時間的關系所取用的基準時間；規定的條件是指結構正常設計、正常施工和正常使用的條件，即不考慮人為過失的影響；預定功能是指以下四項基本功能(1)正常施工和使用時，結構能承受可能出現的各種作用；(2)在正常使用時，結構具有良好的工作性能；(3)在正常維護下，結構具有足夠的耐久性能；(4)在設計規定的偶然事件發生時和發生后，結構能夠保持必需的整體穩定性。
本發明方法包括下列步驟橋梁監測信息的預處理，橋梁監測信息的分布與檢驗，荷載效應統計參數分析，橋梁結構建設資料的收集與積累，橋梁結構截面、材料、計算模式不定性分析，橋梁抗力統計參數分析計算，橋梁結構可靠度計算模式的確定，橋梁結構控制截面可靠度計算，不同橋梁的失效模式分析，橋梁結構的體系可靠度計算分析，目標可靠指標的確定與橋梁安全評價和顯示。
橋梁監測信息的預處理在橋梁上安裝監測元件，測試關鍵截面的應變和撓度值信息，通過“去偽存真”，過濾掉橋梁監測信息中的噪音，保留客觀反映橋梁實際安全狀況的監測信息，以用于后續的安全評價；橋梁監測信息的分布與檢驗采用課題組編的軟件，通過計算機自動實現橋梁監測信息的分布類型假設—檢驗；荷載效應統計參數分析利用橋梁監測信息的分布類型假設—檢驗結果，得出相關統計參數；橋梁結構建設資料的收集與積累收集橋梁建設時期的有關資料，如砼強度、彈性模量、幾何尺寸偏差等；橋梁結構截面、材料、計算模式不定性分析充分利用交通部橋梁結構抗力研究成果，結合橋梁的實際強度、彈性模量、幾何尺寸偏差等情況，分析出橋梁結構截面、材料、計算模式不定性；橋梁抗力統計參數分析計算通過橋梁結構截面、材料、計算模式不定性分析，得出橋梁抗力統計參數；橋梁結構可靠度計算模式的確定根據橋梁的實際情況及監測信息情況，確定橋梁結構的可靠度計算模式，如采用JC法還是蒙特卡羅法；橋梁結構控制截面可靠度計算在橋梁荷載效應統計參數、結構抗力統計參數和可靠度計算模式的基礎上，計算分析出控制截面的可靠度；不同橋梁的失效模式分析分析橋梁的失效模式，得出各結構破壞的相關關系；橋梁結構的系統可靠度計算分析在截面可靠度和失效模式分析的基礎上，得出橋梁結構的體系可靠度；目標可靠指標的確定與橋梁安全評價根據《公路工程結構可靠度統一標準》，確定目標可靠度，并以此為依據評判橋梁的安全可靠性；顯示把橋梁的安全可靠性評價結果通過動態曲線的方式進行顯示。
本發明所述橋梁監測信息的分布與檢驗、荷載效應統計參數分析包括下列步驟假設HO，F(X)＝FO(X)、建立合理的統計量、給定顯著性的水平α、統計判斷，接受時獲取μS、σS、δS，不接受時重返假設HO，F(X)＝FO(X)步驟。
本發明的優點在于(1)本發明基于分布優度擬合檢驗的橋梁遠程監測信息的動態分布處理及統計參數的攝取技術；通過統計假設檢驗的基本理論、基于橋梁遠程監測信息的荷載效應最大值分布及其動態擬合技術、荷載效應統計參數的動態攝取技術、基于“橋梁遠程監測信息的荷載效應統計參數動態分析系統”的計算機實現研究，完善了基于分布優度擬合檢驗的橋梁遠程監測信息的動態分布處理及統計參數的攝取技術。
(2)本發明基于橋梁遠程監測的荷載效應計算模式研究；在監測信息的動態分布處理及統計參數的攝取技術的基礎上，通過對橋梁監測內容和結構受力分析，提出了基于橋梁遠程監測的荷載效應計算模式。
(3)橋梁結構的截面抗力計算模式研究通過橋梁結構抗力材料不定性、幾何尺寸不定性、計算模式不定性的分析，利用交通部已有研究成果，結合橋梁實際的參數修正，提出了橋梁結構的截面抗力計算模式。
(4)本發明基于遠程監測的橋梁可靠性評價方法研究在比較分析已有橋梁結構截面可靠度、體系可靠度計算方法的基礎上，根據橋梁遠程監測的特點、要求，提出基于遠程監測的橋梁可靠性評價方法，并結合具體橋梁提供了成果分析。
(5)本發明基于可靠度理論的橋梁遠程監測評價應用實踐本發明(1)首次將可靠度理論應用于橋梁遠程監測安全評價；(2)提出基于遠程監測信息分析的橋梁截面荷載效應計算分析方法；(3)提出了基于樣本追加鏈的橋梁抗力統計參數修正方法；(4)提出基于橋梁遠程監測的可靠度的計算理論與方法；(5)豐富和發展了可靠度理論的內涵和應用范疇。


圖1為本發明方法步驟框圖。
圖2為本發明橋梁監測信息的分布與檢驗、荷載效應統計參數分析實施框圖。
圖3為本發明所述實施例基于主梁撓度分析的全橋體系可靠度曲線圖。
圖中1實際可靠指標；2分析可靠指標；3目標可靠指標。
具體實施例方式
如圖1、圖2所示，按下列步驟進行橋梁遠程監測評價橋梁監測信息的預處理在橋梁上安裝監測元件，測試關鍵截面的應變和撓度值信息，通過“去偽存真”，過濾掉橋梁監測信息中的噪音，保留客觀反映橋梁實際安全狀況的監測信息，以用于后續的安全評價；橋梁監測信息的分布與檢驗采用課題組編的軟件，通過計算機自動實現橋梁監測信息的分布類型假設—檢驗；荷載效應統計參數分析利用橋梁監測信息的分布類型假設—檢驗結果，得出相關統計參數；橋梁結構建設資料的收集與積累收集橋梁建設時期的有關資料，如砼強度、彈性模量、幾何尺寸偏差等；橋梁結構截面、材料、計算模式不定性分析充分利用交通部橋梁結構抗力研究成果，結合橋梁的實際強度、彈性模量、幾何尺寸偏差等情況，分析出橋梁結構截面、材料、計算模式不定性；橋梁抗力統計參數分析計算通過橋梁結構截面、材料、計算模式不定性分析，得出橋梁抗力統計參數；橋梁結構可靠度計算模式的確定根據橋梁的實際情況及監測信息情況，確定橋梁結構的可靠度計算模式，如采用JC法還是蒙特卡羅法；橋梁結構控制截面可靠度計算在橋梁荷載效應統計參數、結構抗力統計參數和可靠度計算模式的基礎上，計算分析出控制截面的可靠度；不同橋梁的失效模式分析分析橋梁的失效模式，得出各結構破壞的相關關系；橋梁結構的系統可靠度計算分析在截面可靠度和失效模式分析的基礎上，得出橋梁結構的系統可靠度；目標可靠指標的確定與橋梁安全評價根據《公路工程結構可靠度統一標準》，確定目標可靠度，并以此為依據評判橋梁的安全可靠性；顯示把橋梁的安全可靠性評價結果通過動態曲線的方式進行顯示。
其中，本發明所述橋梁監測信息的分布與檢驗、荷載效應統計參數分析包括下列步驟假設HO，F(X)＝FO(X)、建立合理的統計量、給定顯著性的水平α、統計判斷，接受時獲取μS、σS、δS，不接受時重返假設HO，F(X)＝FO(X)步驟。
具體計算如下
對于高家花園嘉陵江大橋的正截面強度，共設有5個混凝土應變監測斷面，分別位于右岸邊跨1/3、右岸主墩頂部兩側、主跨跨中及左岸邊跨1/3，序號依次為I、II、III、IV、V截面。
(1)計算依據1)高家花園嘉陵江大橋竣工圖。
2)中華人民共和國交通部標準《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范(JTGD62-2004)》，下稱《公預規》。
3)設計荷載等級汽車-超20，掛120，人群3.5kN/m2。
(2)受壓區有效分布寬度的確定受壓區有效分布寬度按照《公預規》第4.2.3條規定計算。該橋監控斷面箱梁翼緣總寬為15.36m，其腹板厚度為40、50、60及100cm時，b2分別為360、350、340及300cm。
1)邊跨監控截面邊跨li＝0.8l＝112m，bi/li＝0.027～0.032＜0.05，查《公預規》圖4.2.3-2可知，bm2/b2＝1，即有效寬度為箱梁翼緣的實際寬度；b1與b3的計算過程與此相似，有效寬度也為箱梁翼緣的實際寬度。故，上翼緣bm＝15.36m，底板bm＝8.0m。
2)中跨監控截面中跨li＝0.6l＝144m，bi/li＜0.05，有效寬度亦為箱梁翼緣的實際寬度。即，上翼緣bm＝15.36m，底板bm＝8.0m。
總上所述，取箱梁頂板有效分布寬度為15.38m，底板有效分布寬度為8.0m。
(3)截面類型判斷1)當fsdAs+fpdAp≤fcdbf′hf′+fsd′As′+(fpd′-σp0′)Ap′時，應以寬度為bf′的矩形截面，稱為第一類截面，采用《公預規》第5.2.2條的公式計算正截面抗彎承載力。
其中，fsd、fsd′——非預應力鋼筋抗拉、壓強度；fpd、fpd′——預應力鋼筋抗拉、壓強度；fcd——混凝土軸心抗壓強度；As、As′——受拉區、受壓區非預應力鋼筋的截面面積；Ap、Ap′——受拉區、受壓區預應力鋼筋的截面面積；σp0′——受壓區預應力筋Ap′合力點處混凝土法向應力為零時的預應力筋的應力。對后張法σp0′＝σcon′-σl′+αEPσpc′；hf′——截面受壓翼緣高度；bf′——受壓翼緣計算寬度；b——腹板寬度之和。
第一類截面計算步驟a)受壓區高度x的計算由fsdAs+fpdAp＝fcdbf′x+fsd′As′+(fpd′-σp0′)Ap′計算截面受壓區高度x=fsdAs+fpdAp-fsd′As′-(fpd′-σp0′)Ap′fcdbf′]]>b)抗彎承載力的計算受壓區高度x須同時符合以下條件①x≤ξbh0②當受壓區同時配有普通鋼筋及預應力鋼筋，且預應力鋼筋受壓即(fpd′-σp0′)為正時，應滿足x≥2a′；或當受壓區僅配有普通鋼筋或同時配有預應力鋼筋，且預應力鋼筋受拉即(fpd′-σp0′)為負時，應滿足x≥2a′s在此前提下
MRi=fcdbf′x(h0-x2)+fsd′As′(h0-as′)+(fpd′-σp0′)Ap′(h0-ap′)]]>否則，當①(fpd′-σp0′)為正時MRi＝fpdAp(h-ap-a′)+fsdAs(h-as-a′)②(fpd′-σp0′)為負時MRi＝fpdAp(h-ap-as′)+fsdAs(h-as-as′)-(fpd′-σp0′)Ap′(ap′-as′)其中，hf′——截面受壓翼緣高度；h0——截面有效高度；bf′——受壓翼緣計算寬度；as′、ap′——非預應力、預應力受壓鋼筋合力點至受壓區邊緣的距離；as、ap——受拉區非預應力、預應力鋼筋合力點至受拉區邊緣的距離；a′——受壓區普通鋼筋和預應力鋼筋合力點到受壓區邊緣的距離。
2)當fsdAs+fpdAp＞fcdbf′hf′+fsd′As′+(fpd′-σp0′)Ap′時，計算中應考慮截面腹板受壓的作用，稱為第二類截面。
第二類截面時由以下步驟計算a)受壓區高度x的計算由fsdAs+fpdAp＝fcd[bx+(bf′-b)hf′]+fsd′As′+(fpd′-σp0′)Ap′，x=fsdAs+fpdAp-fsd′As′-(fpd′-σp0′)Ap′-fcd[(bf′-b)hf′]fcdb]]>b)抗彎承載力的計算①受壓區高度x須滿足x≤ξbh0在此前提下
MRi=fcd[bx(h0-x2)+(bf′-b)hf′(h0-hf′2)]+fsd′As′(h0-as′)+(fpd′-σp0′)Ap′(h0-ap′)]]>②若x＞ξbh0取x＝ξbh0，MRi=fcdbx(h0-x2)+fcd(bf′-b)hf′(h0-hf′2)+fsd′As′(h0-as′)+(fpd′-σp0′)Ap′(h0-ap′)]]>高家花園嘉陵江大橋監控截面ΔMi計算由材料力學公式ΔMi＝Ii·Ei·εi/yi其中，Ii——某一控制截面慣性矩；Ei——某一控制截面彈性模量；εi——某一控制截面監測應變值；yi——某一控制截面監測應變點到中和軸的距離。
基于主梁撓度分析的全橋體系可靠度基于主梁撓度分析的高家花園大橋可靠性分析


由表看出，各監測截面的實際動態可靠度和全橋體系可靠度均為6.0，而且各監測截面及全橋的分析可靠度也均超過《公路工程可靠度標準》的取值4.2，表明高家花園大橋主梁剛度具有較大的安全儲備，結構處于安全的營運狀態。
基于主梁撓度分析的全橋體系可靠度曲線圖如圖3所示，其中1為實際可靠指標；2為分析可靠指標；3為目標可靠指標。
權利要求
1.一種橋梁遠程監測評價方法，其特征在于它是一種應用橋梁結構體系可靠度計算分析方法進行橋梁遠程監測評價的方法。
2.如權利要求1所述的橋梁遠程監測評價方法，其特征在于它包括下列步驟橋梁監測信息的預處理，橋梁監測信息的分布與檢驗，荷載效應統計參數分析，橋梁結構建設資料的收集與積累，橋梁結構截面、材料、計算模式不定性分析，橋梁抗力統計參數分析計算，橋梁結構可靠度計算模式的確定，橋梁結構控制截面可靠度計算，不同橋梁的失效模式分析，橋梁結構的體系可靠度計算分析，目標可靠指標的確定與橋梁安全評價和顯示。
3.如權利要求2所述的橋梁遠程監測評價方法，其特征在于它包括下列步驟橋梁監測信息的預處理在橋梁上安裝監測元件，測試關鍵截面的應變(應力)和撓度值信息，通過去偽存真，過濾掉橋梁監測信息中的噪音，保留客觀反映橋梁實際安全狀況的監測信息，以用于后續的安全評價；橋梁監測信息的分布與檢驗通過計算機自動實現橋梁監測信息的分布類型的假設與檢驗；荷載效應統計參數分析利用橋梁監測信息的分布類型的假設與檢驗結果，得出相關統計參數；橋梁結構建設資料的收集與積累收集橋梁建設時期的有關資料，如砼強度、彈性模量、幾何尺寸偏差等；橋梁結構截面、材料、計算模式不定性分析充分利用交通部橋梁結構抗力研究成果，結合橋梁的實際強度、彈性模量、幾何尺寸偏差等情況，分析出橋梁結構截面、材料、計算模式不定性；橋梁抗力統計參數分析計算通過橋梁結構截面、材料、計算模式不定性分析，得出橋梁抗力統計參數；橋梁結構可靠度計算模式的確定根據橋梁的實際情況及監測信息情況，確定橋梁結構的可靠度計算模式采用蒙特卡羅法；橋梁結構控制截面可靠度計算在橋梁荷載效應統計參數、結構抗力統計參數和可靠度計算模式的基礎上，計算分析出控制截面的可靠度；不同橋梁的失效模式分析分析橋梁的失效模式，得出各結構破壞的相關關系；橋梁結構的系統可靠度計算分析在截面可靠度和失效模式分析的基礎上，得出橋梁結構的體系可靠度；目標可靠指標的確定與橋梁安全評價根據《公路工程結構可靠度統一標準》，確定目標可靠度，并以此為依據評判橋梁的安全可靠性；顯示把橋梁的安全可靠性評價結果通過動態曲線的方式進行顯示。
4.如權利要求3所述的橋梁遠程監測評價方法，其特征在于所述橋梁監測信息的分布與檢驗、荷載效應統計參數分析包括下列步驟假設HO，F(X)＝FO(X)、建立合理的統計量、給定顯著性的水平α、統計判斷，接受時獲取μS、σS、δS，不接受時重返假設HO，F(X)＝FO(X)步驟。
全文摘要
本發明公開了一種橋梁遠程監測評價方法，它是一種應用橋梁結構可靠度計算分析方法進行橋梁遠程監測評價的方法。它包括下列步驟橋梁監測信息的預處理，橋梁監測信息的分布與檢驗，荷載效應統計參數分析，橋梁結構建設資料的收集與積累，橋梁結構截面、材料、計算模式不定性分析，橋梁抗力統計參數分析計算，橋梁結構可靠度計算模式的確定，橋梁結構控制截面可靠度計算，不同橋梁的失效模式分析，橋梁結構的體系可靠度計算分析，目標可靠指標的確定與橋梁安全評價和顯示。
文檔編號E01D1/00GK1740444SQ200510103599
公開日2006年3月1日 申請日期2005年9月23日 優先權日2005年9月23日
發明者周建庭 申請人:重慶交通學院