检测大数据在组合箱梁桥病害分析中的应用
检测大数据在组合箱梁桥病害分析中的应用
摘要│为研究高速公路组合箱梁桥关键病害特征及其与外界因素的关联性，本文根据江苏省4000多公里十年的检测大数据，分析组合箱梁桥病害典型特征，定量描述了各类病害；基于典型相关分析理论，结合多种类型病害及外界因素，挖掘出外界因素与组合箱梁主要病害的定量相关性。关键词│检测大数据；组合箱梁；病害；相关性分析文章编号│ 2096-255X(2019)12-0020-05中图分类号│ U446.3 文献标识码│ A
引言
欧美等发达国家由于桥梁等基础设施建设期比我国早二三十年，已有相当一部分桥梁进入了性能衰退阶段，桥梁安全形势非常严峻，因此欧美等国对桥梁结构的长期性能关注较早，研究也较为深入。上世纪70年代，美国先后颁布了一系列规范和指南，对检测流程、检测频率、检测人员资质、检测报告、养护清单等进行了规定。然而，桥梁结构体系复杂，受影响因素众多，难以归纳统一及精确的结构损伤规律。为了迎合养护需求的增长和资金合理分配的需要，未来的桥梁管理体系亟需在桥梁生命周期成本、性能发展模式、有效的维护和维修策略等方面的信息。这就需要收集高质量的定量数据，并在此基础上开发新的分析模型和制定新的算法。
组合箱梁桥在我国大量使用并建成通车已经历了20年左右，一些早期建设的桥梁出现了不同程度的病害，许多旧桥难以适应日趋增长的交通量及重载车辆通行的需要，已到亟需加固治理的地步。笔者选取江苏省十年全省高速公路桥梁的检测报告中的数据进行分析，数据样本中有公路桥梁有5754 座，共计 75.1 万延米。江苏省高速公路桥梁信息统计分析见图1。
基于系统性统计桥梁检测多维多源数据，本文对桥梁病害特征及其本身与外部因素的关联性进行分析并总结规律，对桥梁的长期安全运行与养护维修等方面的研究与应用具有重要意义。
2.组合箱梁桥损伤数据分析
根据桥梁管理系统数据库，选取组合箱梁桥病害有效数据信息进行病害特征归类及统计分析，得到组合箱梁桥不同构件及病害比例如表1所示。
由此可以看出，组合箱梁的梁体发生病害比例较大，而梁体发生的主要病害类型是裂缝。按照梁端、1/4跨、跨中对组合箱梁桥梁体裂缝在桥跨的分布进行统计分析。对于梁体所有类型的裂缝（底板横向、底板纵向、腹板竖向、腹板斜向、腹板纵向和翼板横向）都是梁端占比最多，1/4跨次之，跨中分布最少，如图 2所示。腹板竖向、底板横向、翼板横向和底板纵向裂缝在梁端的总数依次减少。
由图3可得，组合箱梁腹板竖向裂缝发生较多，而底板纵向裂缝和翼板横向裂缝发生较少。裂缝长度主要集中在1m ～ 5m之间，根据不同部位，腹板竖向裂缝和底板横向裂缝长度主要集中在1m ～ 2m之间；翼板横向裂缝主要集中在2m ～ 5m之间；而底板纵向裂缝长度最多的则集中在10m 以上，但其长度数分布较均匀，差异不明显。裂缝宽度则全部主要集中在0.1mm ～ 0.15mm之间，分布较为集中。
3.病害关联性分析3.1病害与跨径关联性
在组合箱梁桥中，底板横向、底板纵向、腹板竖向、翼板横向这几种裂缝的数量随跨径长度变化的趋势都一致，比如当跨径为 20m 和 30m时，这几种裂缝数量都相对较多；腹板斜向和腹板纵向裂缝数量随跨径变化幅度很小；而支座的剪切变形和开裂随跨径变化的趋势基本一致，在跨径为25m 和 30m的桥梁中数量较多；而支座脱空处于逐渐减小的趋势。如图4所示。
在组合箱梁桥中，梁体混凝土破损和钢筋锈蚀的平均数量都很少（平均到每座桥上，小于0.02个），随跨径变化不明显；在墩台病害中，混凝土破损和裂缝平均数量在所有跨径的组合箱梁桥中都很少，随跨径变化不明显；钢筋锈蚀除了在跨径为25m的桥梁中数量稍多（平均到每座桥约0.5个），在其他跨径的组合箱梁桥中数量也很少。
3.2病害与运营时间关联性
在组合箱梁桥中，桥梁底板横向裂缝在跨径为20m 的桥梁上于第2年快速增加，2 ～ 9年内变化缓慢，9 ～ 14 年之间增长稍快；在跨径为30m的桥梁到第8年才开始出现病害，在8 ～ 13年变化缓慢，在第14年病害数量稍有增加；其他跨径桥梁底板横向裂缝数量较少，随运营时间变化不明显。如图5所示。
桥梁底板纵向裂缝在跨径为30m的桥梁上整体数量随运营时间增长，且增长速度以4年为一个周期变化；跨径为20m 的桥梁从第6年开始出现病害，且增长速度以5年为一个周期变化；其他跨径的桥梁底板纵向裂缝数量较少，随运营时间缓慢增加，其中跨径为35m的桥梁在第5年才开始出现病害，跨径为40m的桥梁第3年开始出现病害至第15年稍有增加。如图6所示。
在组合箱梁桥中，跨径为20m的桥梁梁体腹板竖向裂缝数量在前8年持续增长，之后变化缓慢；跨径为30m的桥梁从第2年开始出现病害，增长速度以4年为一个周期变化，到第13年突然增多，之后趋于平缓。跨径为25m、35m、40m 的桥梁病害数量较少，随运营时间变化幅度不大。如图7所示。
在组合箱梁桥中，跨径为20m的桥梁翼板横向裂缝数量在前 3年内缓慢增加，3 ～ 10年之间增长速度稍微加快，之后增加比较缓慢；其他跨径的桥梁病害从第3年开始出现并随运营时间缓慢增长。如图8所示。
在组合箱梁桥中，跨径为30m的桥梁支座剪切变形数量在2 ～ 11年保持增长趋势，增长速度也出现了周期性变化；其他跨径桥梁在第8年才开始出现此类病害，并且数量较少，随运营时间变化缓慢，但跨径为20m的桥梁在第12年剪切变形病害数量突然增加。如图9所示。
在组合箱梁桥中，跨径为30m的桥梁支座开裂病害数量在 4 ～ 8年内持续增加，随后变化缓慢；跨径为25m桥梁的此病害在6 ～ 8年内增长较快，随后变化缓慢；跨径为20m 的桥梁第 8年开始出现此类病害，之后处于缓慢增长状态；跨径为35m桥梁的此病害在4 ～ 11年内缓慢增长；跨径为40m 桥梁的此病害数量很少随时间变化趋势不明显。如图10 所示。
在组合箱梁桥中，跨径为20m的桥梁从第6年开始出现支座脱空病害，之后持续增长，增长速度出现周期性变化；跨径为30m的桥梁从第2年开始出现此类病害，之后缓慢增长；跨径为 25m的桥梁第6年开始出现此类病害，数量较少，增长缓慢；跨径为 35m的桥梁从第4年开始出现此类病害，数量少，随运营时间变化不明显；跨径为40m的桥梁在运营时间内基本没有出现此类病害。如图11 所示。
4.外界因素与桥梁病害相关性分析
笔者以江苏省高速公路组合箱梁桥病害数据库为分析对象，选取了有动态称重系统的6座桥所在的5条高速公路（沪宁高速、京沪高速、沿海高速、宿淮盐高速、汾灌高速）作为样本，研究两组指标之间的关联性。这两组指标分别为外界因素相关变量（最大温差、日均流量、超载比例、超载率、设计规范、运营时间）和不同类型病害数量（底板横向裂缝、腹板竖向裂缝、腹板斜裂缝、横隔板裂缝、支座病害——包括支座脱空、支座开裂、剪切变形）。由于5条路上的组合箱梁桥数量不同，笔者采用了各条路上平均每座桥的病害数量。同时还做了以下两个假设：（1）6个外界因素对于同一条路上的所有桥都是相同的；（2）89规范设定值为0，04规范设定值为1。典型相关分析（简称CCA分析）所采用的两组原始变量数据如表2和表3所示。
通过分析可以得到两组典型变量u1,u2,…,umin(p,q)和v1,v2,…,vmin(p,q)的线性系数向量a1和b1和典型相
关 系 数 ρu1v1 = corr（u1, v1）， 其 ，
， 。设 u1，u2,u3,u4 和 v1,v2, v3,v4 分别为外界因素和病害的4个典型变量。4 对典型变量（u1v1、u2v2、u3v3 和 u4v4）的相关系数分别为 0.92、0.61、0.92、和 0.53。通过分析典型变量系数和典型相关系数发现，构成u3的主要外界因素变量- 超载比例、运营时间、日均流量和最大温差与构成v3的主要病害变量 支座病害和腹板斜裂缝之间相关性比较大。
5. 结论
（1）组合箱梁的主要病害是梁体裂缝，且梁体裂缝多位于梁端；各类裂缝中腹板竖向裂缝发生较多，而底板纵向裂缝和翼板横向裂缝较少，裂缝长度则多集中在1m ～ 5m，裂缝宽度则主要集中在 0.1mm ～ 0.15mm。
（2）组合箱梁梁体裂缝与支座病害多发生于20m ～ 30m跨径的桥梁，且危害随桥梁跨径的变化在30m后逐渐减小；组合箱梁梁体裂缝与支座病害与运营时间存在一定关系，但影响相对不大。
（3）外界因素变量（超载比例、运营时间、日均流量和最大温差）与组合箱梁的主要病害（支座病害和腹板斜裂缝）之间相关性比较大。参考文献│
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陈策（1975—），博士，研究员级高工，江苏省333 高层次人才二层次培养对象，以第一作者身份在中文核心期刊发表论文50余篇，获省部级科技进步奖8项，获国家发明专利10余项，江苏高速公路工程养护技术有限公司副总经理。