本帖最后由 eason是我粉丝 于 2017-10-12 15:40 编辑
来源：52监测 （部分素材来源网络，转载请标明出处，52监测）
1、编前语
随着使用年限增加、既有施工缺陷的影响、材料老化、环境侵蚀、交通荷载变化及偶然事故等因素的影响，桥梁会发生老化、破损、裂缝和变形过大等病害，导致功能下降甚至结构损坏。
为了提供安全快速及舒适的行驶条件，保证桥梁正常运营，必须对桥梁的性能状态进行正确的评价。
东海大桥全长约32km，由大量等高度变高度连续梁及斜拉桥组成，桥址处于外海环境，设计基准期为100年。
对这样规模庞大、结构类型复杂、所处自然环境恶劣的大桥如何进行健康状态评估，是一个值得深入研究的问题。
由于目前对桥梁在运营期间的行为特征还有很多未知领域，桥梁健康状态的准确评估需要专家的参与，这一传统评估模式缺点是时效性较差，但桥梁的运营管理和维护却迫切需要对桥梁健康状态进行及时评估，掌握其行为状态。
因此为满足这两方面的需求，东海大桥健康状态评估采取在线自动评估和离线专家评估相结合的策略。
结合东海大桥的具体情况，采用层次分析法构建大桥性能评价的层次结构模型，借助多级模糊推理法和在专家系统基础上直接打分相结合的方法，对桥梁的安全性、耐久性及使用性进行分项及综合评估，据此确定桥梁健康状态，大桥养护维修工作提供科学依据，确保在其设计基准期内安全运营。 2、桥梁评估指标体系的建立
东海大桥在线评估采用层次分析法，将全桥划分成不同的评估层次，逐级评估汇总。 层次分析法(AHP法)将影响桥梁工作状态的各种因素调理化、层次化，把对某个状态影响程度相近或比较紧密的因素放在一起，形成一个层，建立多层的层次关系综合评估体系。
通过对评价指标的无量纲化处理，将实时监测、定期监测及人工检查等不同类型的数据进行综合，实现对东海大桥健康状态的综合评估。
通过变权方式，实现根据各指标的退化情况调整指标权重，达到客观评估结构状态的目的，通过加权综合的方法由底层指标得到上层指标的状态，逐层综合，得到整个桥梁的状态。
2.1评估内容的确定
大桥健康状态评估内容根据结构特性确定，以反映各项结构性能状态的指标作为评估内容。主要从3个方面考虑：即桥梁结构安全性、耐久性、使用性。
安全性指结构应能承受正常的使用时可能出现的各种荷载、变形等作用，能保证其整体及局部的稳定性。
如构件承载力、构件应力、构件刚度、结构损伤等。耐久性指结构在正常养护下，随时间变化仍能满足预定的功能要求。
耐久性评估主要针对桥梁主要构件的耐久性损伤进行评估，如氯离子侵蚀、混凝土强度、钢结构疲劳等。
使用性指结构在使用荷载及外部环境作用下，应具有良好的工作性能。使用性评估主要针对结构的功能性损伤进行评估，如线形不平顺、混凝土表面损伤、钢结构油漆剥落等结构表观状况。
根据评估项目内容的不同，分别采取实时监测、定期监测及人工检查的方式获得这些数据评估指标。
实时监测即是利用在大桥结构中预埋或表面安装传感器的方法，在软件的控制下，自动采集结构位移、力、应力等方面的数据，经网络系统传输至服务器处理系统，实现数据的自动采集、存储、分析工作。定期监测即是用相应仪器定期对桥梁有关状态性能指标进行采集，数据以人工方式输入服务器中。
人工检查主要以肉眼或便携式仪器对桥梁表观状态进行经常性的检查，取得可量化数据或状态程度描述信息。
大桥安全性、耐久性及使用性评估内容构成见表1。
2.2评估层次划分
东海大桥健康监测评估层次共分为4层，分别是：目标层、准则层、大指标层、小指标层。
目标层为全桥整体健康状态评估，准则层为各区段桥梁性能状态评估，大指标层为每一监测区段的安全性、耐久性及使用性各分项性能评估，小指标层为各监测项目评估指标。
选取东海大桥中重要及有代表性的桥梁作为评估准则层；每一监测区段的各项性能指标作为大指标层；小指标层的评估指标共有2类，分别是：
①可量化数值序列值或单个数据值； ②对桥梁构件状态描述或简单的状态程度划分，而没有数值结果。
第1类指标为各实时监测、定期监测数据及可量化检查结果，第2类为人工检查病害或状态描述。
大桥健康状态评估层次划分见图1。
2.3评估的方法
根据桥梁类型，全桥共划分成8个评估区段，各评估区段内采集的数据按其功能和特点组织成不同的评估项目，同时评估项目分别归属到不同的结构特性类别中，评估项目在同一逻辑组内进行综合处理，其导出量中的特征参数作为评估的指标，参与评估。
对于第一种可量化的小指标层数据，以Fuzzy模糊推理机进行数据推理评估，得出评估分值。
首先对结构进行详细有限元仿真分析，根据结构在各种外荷载作用下的响应设定评估指标阈值，然后经过模糊推理计算得到某项监测指标的评估分值。
随着时间的变化，有限元模型定期进行修正，以便可以真实的反映桥梁状态行为，得出正确的评估阈值。
对于人工检查等非量化数据，根据现行有关桥梁养护规范及专家系统对程度描述结果直接进行量化评分，得出评估分值。
各层评估项目内容根据加权累加的方法得到上一层项目的评估分值，直到得出全桥健康状态评估分值。
通过以上方法，可以使定量、定性两种影响桥梁结构状态因素有机结合，经综合分析后，全面反应结构的真实状态，使评价体系更加科学化，减小人为主观判断的影响。
3、模糊推理法 3.1总体结构
模糊推理系统是建立在模糊集合论、模糊ifthen规则和模糊推理等基础上先进的计算框架。其基本结构由3个重要的部件组成：规则库、数据库、推理机制。
规则库包含一系列模糊规则； 数据库定义了模糊规则中用到的隶属函数； 推理机制按照规则和所给定的事实执行推理过程，求得合理的输出结论。
模糊推理系统是通过事先掌握的一组推理规则实现从输入到输出的推理计算。模糊推理法的总体结构见图2。
3.2输入设计
为了便于编程实现和调解，考虑使所选取的MF的参数最少。按此原则，针对每个语言变量(输入指标)的整个论域，用图3所示的MF组描述：该隶属度函数组由论域轴上的4个参数确定，即：a、b、c、d，其中a和d为该指标的取值范围的下界、上界。b和c刻画了论域的空间划分，隶属度函数组的表达式如下：
3.3输出设计
按所选取的MF的参数最少原则，针对每个语言变量(输人指标)的整个论域，用如图4所示的高斯MF组描述：该隶属度函数组由论域轴上的3个参数确定，即：a、b、c。a、b、c刻画了论域子空间划分的中心。为了编程的简单。 给出该隶属度函数组的表达式如下：
3.4推理规则设计
评估节点的推理规则见表2。
3.5输出的去模糊化方法
对于输出的去模糊化采用面积中心法：
模糊推理机输入，即用于评估的指标数目不超过2个。所有输人指标(语言变量的)的论域(取值空间)只被划分为3个模糊子空间，不失一般性，将它们命名为‘大’、‘中’和‘小’，对每个具体的评估指标，分别用合适的语言术语替换即可。
输入指标在物理意义上是指：指标越大，对结构安全性、耐久性及使用性越不利。
实际应用时可采用Matlah模糊工具箱中提供的工具模块进行。工具模块程序以源代码的形式为模糊推理提供引擎。经过编译，可生成独立执行的模糊推理机程序。 4、评估报告的组成
评估报告由在线评估报告及离线评估报告组成。在线评估报告又可分为即时评估、月度评估。
在线评估报告根据设定的程序，由系统自动完成，无需人工干涉。如发生严重的突发事件(如强度较大的地震、强台风、船舶撞击、车辆撞击斜拉索等)，可根据系统采集的实时数据，对大桥进行突发事件后的状态评估，形成突发事件评估报告。
离线评估需要对采集的各种数据进行深入分析挖掘，给出完整的大桥健康状态结论及未来的发展趋势等，需要由专家完成。
4.1在线评估报告的组成
评估报告的内容包括评估结论、监测(检查)数据结果显示、养护维修指导建议等。
(1)评估结论部分
根据层次划分原则，逐级给出评估结论及分值。首先根据评估系统的计算分析给出大桥全线的总体评估结论及数值，再给出各区段的评估结论及分值。
然后列出每一区段的结构安全性、耐久性及使用性的评估结论及分值，往下是各监测项目的评估结论及分值。
各层次评估分值除以文档形式给出外，也可以图形的方式表现，以便直观看出桥梁健康状态发展趋势。评估分值示意见图5。
(2)监测(检查)结果部分
包含各种监测(检查)项目的详细内容，如各监测项目的数值曲线图、人工检查可量化的趋势曲线、图表照片及状态程度描述等实时监测项目数值曲线基于数据预处理、二次处理结果，根据采集频率的不同，数据结果曲线包括每小时、每天、每周、每月的均值、最大值、最小值及标准差等。
(3)养护维修指导建议
根据评估项目及评估分值的不同，分别给出每一项评估内容的养护维修指导建议。如某一监测(检查)项目结论为恶劣，重点给出其具体劣化结果描述，以便管养人员重点关注，并进一步采取必要的维护措施。
4.2离线评估报告的组成
正常情况下，离线评估每年进行一次，亦即年度评估报告。离线评估报告的组成如下：
①在线评估报告的内容总结、优化； ②动力方面的损伤分析； ③疲劳寿命分析； ④各种监测(检查)项目的相关性分析； ⑤ 环境因素(气象、文水等)与结构状态关系分析； ⑥出流量与结构状态关系分析； ⑦腐蚀方面耐久性分析； ⑧大桥总体健康状态描述及养护维护意见； ⑨ 警界闽值修正、系统有关参数优化； ⑩ 结构状态发展趋势分析。
5、结语
东海大桥健康监测系统按照层次分析法构建大桥的评估体系，以模糊推理法及专家系统直接打分法相结合实现在线评估是可行的，可有效地解决大型健康监测系统采集数据量庞大，难以及时处理的态评估中的应用问题。
同时，也为桥梁养护管理部门提供了即时桥梁健康状态信息，可以及早发现灾难性破坏隐患，以便采取措施加以消除或最低程度对其进行控制或延缓，做到评估式、预测式的桥梁养护管理。
同时也应注意到，桥梁结构，特别是大跨索支承桥梁的结构，往往同时存在着彼此有联系的多层次的多个失效模式以及失效路径，它们间的相互关系非常复杂，为了真实模拟结构行为状态，随着桥梁运营时间的延长，需要不断修正、完善结构分析模型。
另外，由于大多数情形下模糊推理中适合的if—then规则的建立不是一件容易的事，因此需要在以后的使用中对模糊推理的合理性进行验证，使之更加适合真实桥梁状态。
因此，健康监测评估系统是一个动态系统，需要随着桥梁运营时间的增长而不断优化完善的系统。
小编点评
东海大桥桥梁结构健康监测系统评估子系统中，采用了层次分析法建立了桥梁性能评价模型，分析确定影响桥梁结构性能状态的各因素及隶属度。
对可量化的桥梁监测、检查数据以模糊推理法进行评估打分，对非量化的程度描述根据专家系统直接评估打分，综合分析计算后，得出各区段桥梁安全性、耐久性及使用性的评分，再以加权的方法最终确定大桥健康状态等级。实现了桥梁状态即时评估，为养护管理决策提供科学依据。
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