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結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域的方法研究是當(dāng)前學(xué)術(shù)界的熱點，但其與工程領(lǐng)域的實際應(yīng)用結(jié)合不夠。因此，有必要在加強(qiáng)系統(tǒng)維護(hù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)切實有效的數(shù)據(jù)處理方法，精確評估橋梁安全狀態(tài)。同時，編制全自動化的數(shù)據(jù)處理與在線識別軟件，便于橋梁工程師方便快捷地以數(shù)據(jù)分析促進(jìn)系統(tǒng)維護(hù)，以系統(tǒng)維護(hù)保障結(jié)構(gòu)評估，隨時監(jiān)測服役狀態(tài)下的橋梁安全狀況，最大限度發(fā)揮現(xiàn)有結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)功能，從而準(zhǔn)確把握結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，動態(tài)評估結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，確保結(jié)構(gòu)運營安全。

江蘇交通控股有限公司（以下簡稱“江蘇交控”）作為江蘇省內(nèi)長大橋梁管養(yǎng)數(shù)量最多的單位，且為國內(nèi)最早建立結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的單位之一，早在1999年就建成了長大橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)。截至目前，該系統(tǒng)已存儲了海量數(shù)據(jù)，但由于結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析側(cè)重于實時數(shù)據(jù)處理，故對于監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)價值的挖掘工作較少。隨著監(jiān)測系統(tǒng)不斷融合車輛荷載、沖刷監(jiān)測及除濕等數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)將呈爆炸式增長，同時長大橋梁管養(yǎng)單位對橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測能力、突發(fā)事件認(rèn)知

(資料圖片)

水平和監(jiān)測預(yù)防能力的要求也不斷提高。因此，未來開展海量數(shù)據(jù)清洗挖掘、多源數(shù)據(jù)相關(guān)性研究，進(jìn)而掌握長大橋梁結(jié)構(gòu)性能衰變、重載交通下結(jié)構(gòu)性能變化等規(guī)律便顯得越加重要。

作為江蘇省長大橋隧健康監(jiān)測數(shù)據(jù)中心（以下簡稱“數(shù)據(jù)中心”）的歸口管理單位，江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司（以下簡稱“蘇高技術(shù)公司”）對長大橋梁監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)啟動挖掘分析工作。2022年下半年，蘇高技術(shù)公司以長大橋養(yǎng)護(hù)需求為導(dǎo)向，集中優(yōu)勢力量進(jìn)行重難點技術(shù)攻關(guān)，同時聯(lián)合數(shù)據(jù)中心成立跨部門攻關(guān)研究組（以下簡稱“研究組”），以充分發(fā)揮養(yǎng)護(hù)專業(yè)人員與智能化人員專業(yè)特長，深挖監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律。研究組從養(yǎng)護(hù)專業(yè)的物理概念及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析兩個方向著手，抽絲剝繭、層層解剖，深層次探索歷史數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性，并以長大橋養(yǎng)護(hù)需求指引大數(shù)據(jù)分析探索方向，以大數(shù)據(jù)分析手段進(jìn)一步明確長大橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)參數(shù)指標(biāo)規(guī)律，分析選取了江蘇交控系統(tǒng)內(nèi)兩座典型大橋的近10年監(jiān)測數(shù)據(jù)，歷時半年完成初步挖掘探索工作。

過程中，在結(jié)構(gòu)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)挖掘方向、方法不明朗的前提下，研究組開展多次探索嘗試，最終證明了作用-變形指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)場的可行性。研究共分3個階段，前期進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)梳理與算法優(yōu)化，開展面向長期趨勢分析的異常數(shù)據(jù)清洗；在此基礎(chǔ)上，中期進(jìn)行結(jié)構(gòu)溫度、變形、位移類指標(biāo)長期變化趨勢分析，并根據(jù)數(shù)值分布特點建立概率模型，初步實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)響應(yīng)發(fā)生概率預(yù)測；最后，根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)與外界作用的相關(guān)性，探索建立了主梁橫向位移與風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)場及梁端縱向位移與結(jié)構(gòu)溫度的標(biāo)準(zhǔn)場，可在某一風(fēng)速、某一溫度下，評估主梁橫向、縱向位移概率分布，實現(xiàn)了對變形指標(biāo)響應(yīng)的范圍預(yù)測。

/ 數(shù)據(jù)梳理與清洗 /

傳感器與傳輸系統(tǒng)設(shè)備故障、接觸故障、電磁干擾等問題，常常造成結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)采集到大量異常數(shù)據(jù)，如不對此類數(shù)據(jù)予以識別、剔除或修補(bǔ)，一旦直接應(yīng)用于后續(xù)分析，必然會極大干擾評估結(jié)果準(zhǔn)確性。因此，為有效利用測試數(shù)據(jù)中所包含結(jié)構(gòu)描述、監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的有用信息，須對橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，從而消除監(jiān)測數(shù)據(jù)中的測試誤差，這是對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析，進(jìn)而診斷監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)。根據(jù)已完成的大量數(shù)據(jù)分析工作，橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測中主要存在的數(shù)據(jù)異常包括：數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)漂移、長周干擾、非一致異點（跳點）、弱噪聲干擾、無法消除的強(qiáng)噪聲，以及其他難以快速識別和消除的數(shù)據(jù)異常。

研究組首先開展數(shù)據(jù)梳理與清洗工作，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)梳理的準(zhǔn)確性和效率。對因各類異常導(dǎo)致的數(shù)據(jù)跳點、階段跳躍、超量程、隨機(jī)漂移進(jìn)行分析，通過采用自動清洗方法可大概率實現(xiàn)前三者的清洗，至于隨機(jī)漂移，由于目前缺乏有效的自動化和算法手段，只能采用手動清洗的方法。在數(shù)據(jù)自動清洗方法上，研究組提出基于魯棒性分析的數(shù)據(jù)梳理清洗算法，用于處理數(shù)據(jù)跳點、階段跳躍、超量程3類數(shù)據(jù)異常。該算法首先通過異常數(shù)據(jù)搜尋，解決了人工搜尋異常數(shù)據(jù)效率低的問題；其次能夠識別離群異常數(shù)據(jù)段，解決簡單閥值無法濾除的異常數(shù)據(jù)難題，并將異常數(shù)據(jù)段拉回正常位置，排除干擾，實現(xiàn)異常數(shù)據(jù)回落處理，進(jìn)而解決數(shù)據(jù)修復(fù)問題。經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)，可反映結(jié)構(gòu)真實狀態(tài)，通過統(tǒng)計將處理后的數(shù)據(jù)輸出，可解決統(tǒng)計值錯誤影響結(jié)論的問題。

/ 長期趨勢分析 /

根據(jù)目前大跨徑橋梁振動效應(yīng)、變形效應(yīng)研究的發(fā)展趨勢，為滿足各地區(qū)大跨徑橋梁日益增長的建設(shè)需求及其運營階段的安全保障需求，掌握大跨徑橋梁所處風(fēng)場規(guī)律并了解風(fēng)速對橋梁主梁、索塔振動及主梁、索塔位移的影響，是目前橋梁風(fēng)工程界的研究熱點之一。

依托江蘇交控系統(tǒng)內(nèi)兩座典型大橋的近10年數(shù)據(jù)，研究組開展了結(jié)構(gòu)關(guān)鍵指標(biāo)長期變化趨勢分析及多指標(biāo)趨勢統(tǒng)計，不僅基于同環(huán)境、同期對比分析了兩座大橋的結(jié)構(gòu)溫度、風(fēng)速、位移數(shù)據(jù)，在風(fēng)場長期變化趨勢上，還對兩座大橋受到的風(fēng)速影響進(jìn)行統(tǒng)計。根據(jù)歷年的兩分鐘平均風(fēng)速極值數(shù)據(jù)，研究組得到塔頂和跨中風(fēng)速極值的均值、均方差，分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)速極值等因素均服從正態(tài)分布規(guī)律；通過建立風(fēng)速超越概率模型，可初步預(yù)測未來大橋塔頂及橋面風(fēng)速達(dá)到各級風(fēng)的概率。

在大橋溫度場方面，研究組對兩座大橋多年有效結(jié)構(gòu)溫度的變化情況進(jìn)行了統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)整體服從正態(tài)分布規(guī)律。通過形成的概率模型對1年結(jié)構(gòu)高低溫超越概率分析可知，大橋結(jié)構(gòu)溫度發(fā)生高溫報警的概率大于低溫報警。

在大橋結(jié)構(gòu)整體變形方面，研究組統(tǒng)計了各大橋索塔、跨中撓度極值、均值的分布規(guī)律，并集中考慮了溫度趨勢和剔除溫度趨勢兩種情況。對比大橋每年車輛通行梁數(shù)據(jù)可知，大橋撓度與車流量變化量基本保持正比例關(guān)系，大橋跨中撓度在同環(huán)境下基本保持一致，由此表明大橋整體剛度未發(fā)生顯著衰減。同時，研究組發(fā)現(xiàn)，去除溫度趨勢后的跨中撓度并不符合正態(tài)分布規(guī)律，索塔和主梁撓度均服從卡方部分，尤其在去除溫度趨勢后，結(jié)構(gòu)變形主要由風(fēng)場引起的主梁脈動與交通荷載決定，而這兩者均服從正態(tài)分布。

這也說明，在大橋長期撓度統(tǒng)計中，溫度影響占比非常大，如果不對其剔除，很可能影響結(jié)論判斷與規(guī)律探索。另外，梁端位移是反映大橋伸縮縫工作狀態(tài)的一個重要指標(biāo)，近年來，大橋伸縮縫病害發(fā)生層出不窮，研究中對兩座大橋的伸縮縫變形常年變化趨勢進(jìn)行了分析，總體上大橋梁端位移表現(xiàn)出隨溫度變化的顯著趨勢，且梁端位移總體服從正態(tài)分布。

/ 關(guān)鍵指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)場分析 /

大跨徑索承橋梁結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具備足夠的抗風(fēng)強(qiáng)度、抗風(fēng)剛度和抗風(fēng)穩(wěn)定性，保證成橋狀態(tài)下，橋梁不會發(fā)生風(fēng)致靜動力失穩(wěn)、強(qiáng)度和剛度發(fā)生破壞，橋梁的風(fēng)致振動不會影響行車安全、結(jié)構(gòu)疲勞和使用舒適性。根據(jù)《公路懸索橋設(shè)計規(guī)范》（JTGT D 65-05-2015）第 5.2.12 條的規(guī)定：加勁梁在風(fēng)荷載作用下，最大橫向位移不宜大于跨徑的1/150。而風(fēng)荷載是導(dǎo)致主梁發(fā)生橫向位移的主要作用力，鑒于此，一方面監(jiān)測跨中風(fēng)速，另一方面基于跨中風(fēng)場特性，構(gòu)建“風(fēng)速-跨中”橫向位移關(guān)系，對于實時掌握大橋主梁剛度、穩(wěn)定性狀態(tài)，實現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)條件下主梁安全預(yù)警十分必要。研究組通過借助數(shù)據(jù)清洗、平滑處理等手段，統(tǒng)計近年來兩座大橋主跨跨中橫橋向風(fēng)速數(shù)據(jù)及跨中橫向橋主梁位移數(shù)據(jù)，提取出結(jié)構(gòu)主梁10分鐘靜風(fēng)壓下的橫向位移響應(yīng)，并由此構(gòu)建出不同風(fēng)速等級下的主梁橫向位移概率分布標(biāo)準(zhǔn)場。

標(biāo)準(zhǔn)場的建立工作需要反復(fù)不斷地嘗試，在本項工作開展前，需要對長周期數(shù)據(jù)接力、各指標(biāo)相關(guān)性分析、相關(guān)性數(shù)據(jù)異常甄別與處理、篩選強(qiáng)相關(guān)性指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)場顆粒度等工作進(jìn)行確定。研究組前期在長周期數(shù)據(jù)接力、相關(guān)性分析方面具備一定的技術(shù)基礎(chǔ)，而后幾項工作則在本研究開展過程中進(jìn)行了反復(fù)嘗試。本次研究確立了兩個單影響因素標(biāo)準(zhǔn)場，分別為主梁跨中橫向位移標(biāo)準(zhǔn)場和梁端縱向位移標(biāo)準(zhǔn)場。在風(fēng)場影響方面，研究組首先建立了主梁橫向位移-風(fēng)場相關(guān)模型，其中橫向位移正值表示向上游側(cè)的位移，負(fù)值為向下游側(cè)的位移。研究組發(fā)現(xiàn)，主梁橫向位移-風(fēng)場（橫橋向風(fēng)速）服從雙指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律。

基于相關(guān)性分析結(jié)果，研究組以顆粒度每秒1米的風(fēng)速水平為區(qū)間，建立了10分鐘均值下的主梁橫向位移-風(fēng)速等級標(biāo)準(zhǔn)場，并劃分32個風(fēng)力等級。在不同風(fēng)力等級下，主梁橫向位移指標(biāo)散點分布多趨向于正態(tài)分布，在確定的風(fēng)速等級下，通過概率分布參數(shù)可進(jìn)一步確定主梁橫向位移大于某一位移水平的概率。

建立梁端位移-結(jié)構(gòu)溫度概率標(biāo)準(zhǔn)場，首先要解決梁端位移關(guān)于結(jié)構(gòu)溫度的滯后效應(yīng)。因此，研究組經(jīng)統(tǒng)計多年數(shù)據(jù)得到大氣溫度峰值時滯平均值和位移滯后時長主要分布值，再采用時序數(shù)據(jù)相關(guān)性分析方法消除時滯效應(yīng)，同時提升基于溫度評估梁端位移的準(zhǔn)確性。研究組還建立了主梁梁端位移-結(jié)構(gòu)有效溫度的相關(guān)模型，分析得出，主梁梁端位移-結(jié)構(gòu)有效溫度服從考慮溫度滯后效應(yīng)的線形變化規(guī)律?；谝陨舷嚓P(guān)性分析結(jié)果，以顆粒度3攝氏度有效溫度水平為結(jié)構(gòu)區(qū)間，建立大橋主橋1小時均值下的主梁梁端位移-結(jié)構(gòu)溫度等級標(biāo)準(zhǔn)場，并劃分20個結(jié)構(gòu)溫度等級。在各等級下，主梁梁端位移指標(biāo)散點分布多趨向于正態(tài)分布，在確定的結(jié)構(gòu)溫度等級下，通過概率分布參數(shù)可進(jìn)一步確定主梁梁端位移大于某一位移水平的概率。

/ 后續(xù)工作展望 /

根據(jù)交通運輸部相關(guān)文件指示，到“十四五”末，全國將有600余座長大橋梁建立結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，用于采集海量數(shù)據(jù)。但要從海量監(jiān)測數(shù)據(jù)中挖掘出對橋梁養(yǎng)護(hù)和安全評估有用的信息，須不斷投入人力物力深入研究分析和開發(fā)相關(guān)算法。下一步，研究組將在既有工作基礎(chǔ)上，繼續(xù)進(jìn)行長大橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)探索挖掘工作，以期進(jìn)一步解決數(shù)據(jù)梳理、數(shù)據(jù)清洗及長期趨勢分析的技術(shù)難題，構(gòu)建多因素概率標(biāo)準(zhǔn)場，為深入開展多源數(shù)據(jù)相關(guān)性研究，探索結(jié)構(gòu)性能衰變及重載交通下結(jié)構(gòu)性能變化規(guī)律夯實基礎(chǔ)。

常宜高速前黃樞紐 江蘇交通控股有限公司 供圖

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