第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
二十世纪八十年代，桥梁建设进入大规模建设时期。桥梁建设是国民经济发展的生命线，代表了国家基础设施建设的水平与能力，目前世界跨度前十的桥梁中，我国占据了其中 5 座。截止 2017 年末全国公路桥梁总数达 83.25 万座（5225.62 万米），特大桥梁 4646 座（826.72 万米），大桥 91777 座（2424.37 万米），2017 年新增桥梁 2.72 万座（308.66 万米）[1]。我国在建设速度和技术都处在世界一流水平，并随着“一带一路”政策的推进与高铁“以桥代路”的发展理念，桥梁建设仍在高速发展。
桥梁在实际运营过程中，受到环境中有害物质的侵蚀和荷载作用的影响，结构性能不可避免的产生退化与损伤，若这些损伤不能被及时发现并加固，必然会缩短桥梁使用寿命，严重时可能会引发重大安全事故。图 1.1 列举了近年来我国部分桥梁安全事故，2013 年 2 月，河南义昌大桥南半幅崩塌，坍塌桥面长 80m，导致 10 死 11 伤；2012 年 8 月，哈尔滨阳明滩大桥匝道倾覆，造成 3 人死亡，5 人受伤；2010 年 6 月，吉林锦江大桥由于车辆严重超载，突然垮塌，造成 6 人受伤；2010 年 5 月，重庆红泥大桥（石拱桥）突然垮塌，导致交通全面中断；2007 年 8 月，湖南省堤溪沱江大桥坍塌，造成 64 人死亡，22 人死亡；2007 年 6 月，广东九江大桥坍塌，断桥长度达200 米，共造成 8 人死亡。这些事故造成了重大的经济损失和严重的人员伤亡，同时造成了极为恶劣的社会影响。
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1.2 研究现状
1.2.1 健康监测系统
健康监测系统最早起源于航空领域，桥梁的健康监测系统在上世纪五十年代被提出，1967 年 12 月美国俄亥俄州一座桥梁垮塌，造成了 46 人死亡的惨重后果，事故发生后，美国和欧洲发达国家开始意识到桥梁状态监控的重要性，桥梁健康监测系统得以迅速发展，到上世纪八十年代，国外桥梁健康监测系统已被应用到众多大跨度重要桥梁，如美国 Sunshine Skyway 斜拉桥（最大跨度 366m）安装了位移计、温度计、应变计等 500 多个传感器；丹麦 Great Belt East 悬索桥（主跨 1624m）监测系统主要监测主缆、吊杆和索夹的应力、加速度、位移等众多项目，传感器数量超 1000 个[8]。表 1.1 列举了我国部分预应力混凝土梁桥健康监测系统实例。
相较于发达国家，我国桥梁健康监测技术研究起步较晚，从上世纪九十年代开始逐步发展，理论与工程实践上存在一定差距。但在我国桥梁大规模建设的契机以及多次桥梁重大安全事故的警示下，桥梁健康监测技术在近些年得到迅速发展。我国具有标志性意义的桥梁监测系统包括：香港青马大桥、汲水门桥和汀九桥健康监测系统是世界上规模和投资最大，也是我国最早建立的桥梁监测系统；广东湛江海湾大桥是我国首次在桥梁结构设计阶段就考虑健康监测的桥梁；南京长江大桥监测系统是我国首例公铁两用桥梁的工程应用[9]。 结合国内外桥梁健康监测系统工程实例可以看出，有以下共同点：
（1）将监测结构响应结果与有限元模型理论数据相结合，诊断桥梁健康状态。
（2）将环境因素与车辆荷载纳入监测项目，建立桥梁结构响应在车辆荷载与环境因素作用下的“指纹”。
（3）具有强大的数据储存、处理、通讯的能力，并通过计算机网络实现数据共享。
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第 2 章 建立健康监测系统与可靠性分析
2.1 工程背景
以辽宁省某在役高速桥梁为工程依托，此桥建于 2001 年 6 月，上行共 44 孔，c 下行共 43 孔，桥梁全长为 986.68m，主桥为第 38~40 孔，跨径组合（52+80+52）m，设计荷载等级：汽车-超 20 级，挂车-120。高速公路运营管理有限责任公司交通量流量报表显示：2016 年 12 月～2017 年 4 月份日平均交通量为 9613 辆。地震烈度：本桥区内地震基本烈度小于 6 度；设计洪水频率：1/300；铁路限界：第 39孔跨铁路，净高 6.8m，净宽 2.44m；第 38 孔跨国道，净高 5.2m
以主桥上行方向（38～40 孔）PC 变截面连续箱梁为研究对象，桥面连续，净宽为 2×10.75m，外侧防撞墙宽均为 0.5m，内侧防撞墙宽均为 0.65m，沥青混凝土桥面，伸缩缝采用 GQF-MZL-80 及 GQF-MZL-160 型。连续箱梁支座采用 GPZ 系列盆式橡胶支座，箱梁下部结构为薄壁墩，中柱为沉井基础，边柱为扩大基础。
对部分主跨跨度较大预应力混凝土连续梁桥病害进行统计后发现，绝大数桥梁存在混凝土开裂和主梁跨中挠度过大的问题，特别是近 20 年来修建的预应力混凝土连续梁桥最为严重。
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2.2 建立健康监测系统
2.2.1 系统组成与设计原则
桥梁健康监测系统的要求能够实时记录桥梁真实响应量变化情况，对监测数据进行储存、处理与共享，实现对桥梁结构的监控与评估、设计验证和试验研究。本工程健康监测系统主要由传感器子系统、信号采集子系统、集成与传输子系统、太阳能供电子系统和远程可视化子系统组成，系统总体框架如图 2.2 所示。
健康监测系统在设计和实施过程中应遵循如下原则：
（1）可靠性
可靠性是系统建立与运行的基础，系统必须能够长时间稳定运行并满足精度要求，应考虑恶劣环境影响进行耐久性设计，运行过程中应对各系统应进行日常检查维护。
（2）实用性
根据桥梁实际情况进行系统设计，合理选择监测项目，监测评估结果应能够反映桥梁状态，为管养单位提出合理建议。
（3）先进性
设备的选择、监测系统功能、结构安全监测的相关理论、状态评估体系应具有一定先进性，对落后淘汰的设备、技术与理论应及时更新。
（4）独立性与兼容性
各功能模块应既能够相互关联也能够相互独立，避免个别故障导致整个系统瘫痪，并且应具有兼容性，方便后续进行系统扩容。
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3.1 数据预处理 ................................... 27
3.2 箱梁温度 .............................. 28
第 4 章 桥梁结构安全预警 ................................... 45
4.1 研究现状 ............................................... 45
4.2 预警系统设计 ................................. 46
4.3 预警阈值设定 ................................. 47
第 5 章 基于变权层次分析法的桥梁状态评估 ................................... 58
5.1 层次分析法 ........................................... 58
5.1.1 建立层次结构 ................................. 58
5.1.2 初始权重的确定 ............................. 59
第 5 章 基于变权层次分析法的主梁状态评估
5.1 层次分析法
层次分析原理是分析复杂问题中各影响因素间逻辑关系，通过结构层次对各因素进行划分，再针对同一层次中不同因素给出重要程度打分，利用数学运算对各因素重要性排序并计算元素权重，最后基于各因素评估结果加权综合得到整体最终结果。
采用层次分析法一般有以下步骤：
（1）明确问题，确定目标；
（2）分解目标，建立层次结构；
（3）构造各层次指标重要性两两判断矩阵；
（4）检验矩阵一致性并计算指标权重；
（5）依据各指标评价值与权重，从底层向上，逐层加权综合。
5.1.1 建立层次结构
层次结构主要分成三层：第一层为目标层，该层有且只有一个元素，代表需要达到的目标或结果；第二层为准则层，该层可有多个层次，主要表示完成目标所遵循的准则；第三层为方案层，表示为完成目标制定的计划与方案。
桥梁结构复杂，构件数量多，但逻辑关系比较清晰，支配关系也容易判断。桥梁结构状态评估时，目标层即为桥梁结构状态评估值，准则层即为桥梁结构各组成部分，如上部结构、下部结构、桥面系和附属设施等，各分部结构又根据组成构件分为构件层，方案层为各构件进行评价的评估指标，如梁体线性、材料强度等。
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第 6 章 结论与展望
6.1 结论
本文对大跨径 PC 连续箱梁的安全状态分析进行了理论与实践研究，以辽宁省某在役桥梁为依托工程，阐述了健康监测系统的组成与建立过程，对监测数据进行了分布特征和趋势分析。基于监测系统建立了安全预警系统，以监测统计值、有限元模拟值、荷载试验结果和相关规范为依据设定了分级预警阈值。最后采用变权原理与损伤敏感度原理对传统层次分析法进行了改进，并应用于依托工程主桥箱梁安全状态评定。本文主要得出以下结论：
（1）在建立健康监测系统过程中，充分考虑系统要求，结合桥梁结构特性与所处环境特点确定监测项目，根据有限元软件计算箱梁在自重荷载作用下响应量确定各孔跨中与主跨支点附件截面为关键监测截面，通过静载试验定性和定量分析监测数据可靠性，监测数据与荷载试验中静力水准数据最大误差为 0.4mm，平均误差率为2.79%，与全站仪数据最大误差为 0.5mm，平均误差率为 2.66%，该桥监测系统运行稳定。
（2）对 2017 年度监测数据分布和趋势分析，各监测项目数据变化稳定，符合理论预期；温度变化是监测数据的总体趋势的主要影响因素，其中混凝土应变与温度存在较明显的线性关系，相关性系数均在 0.95 以上；车辆荷载对跨中挠度、裂缝宽度与混凝土应变作用主要表现为瞬时性，边跨挠度对汽车荷载作用敏感度高于中跨，中跨裂缝宽度对汽车荷载作用敏感度高于边跨；不同测点的自振频率均具有较好的一致性，均略大于理论计算值，说明刚度满足设计要求。
（3）基于 2017 年度监测数据变化特征分析，建立了适用于混凝土连续箱梁桥安全预警系统，以指标监测统计值、荷载试验最不利工况下监测值、有限元模型理论计算值和规范限值为依据，针对监测指标的不同特性采用不同的阈值设置方法，其中，提出一种新的应变监测预警方法，通过应变的组成和变化特征分析，剔除了温度荷载的影响，从而单独对车辆荷载应变进行预警。预警系统运行良好，保障了桥梁结构运营期安全，为类似桥梁安全预警提供参考。
参考文献（略）