石桥立交结构状态评估系统开发研究

关键词：桥梁状态；评估指标体系；自适应神经-模糊推理；系统开发 

abstract: this paper taking hangzhou bridge overpass of wide flat in multi cell box girder as the object, from the impact of bridge bearing capacity and durability of factors, has established the bridge condition appraisal index system. build the bridge condition appraisal system based on adaptive neural fuzzy inference techniques, and the development of bridge information database and friendly management interface. 

key words: bridge condition; evaluation index system; fuzzy reasoning; system development 

中图分类号：u447；tu375 文献标识码：a 

 

1 前言 

城市高架桥受到建设场地的制约和较高的景观效果要求，无盖梁、扁平多室预应力混凝土连续箱梁正在逐步替代传统的简支板梁结构，建立有效的信息化管理方法以确保该类型桥梁结构的使用安全、延长使用寿命已成为城市高架管理中急需解决的技术课题。 

石桥立交桥工程位于杭州主城区北部石桥路与石祥路交叉口，是目前浙江省内规模最大的城市立交桥。从美观角度出发，采用了隐盖梁形式的多箱室连续梁桥。但因该类型结构空间传力机理复杂、影响其状态的因素非常多，其中包含大量不确定性信息。本文以石桥立交为对象，根据城市预应力混凝土梁桥的结构特点，基于自适应神经-模糊推理系统（anfis）[1~2，4~5]开发了城市高架桥状态评估系统。 

石桥立交状态评估系统由数据库模块、状态评价模块、用户界面模块组成，如图1所示。其中关系型数据库将桥梁的基本信息、技术信息、历次检查信息及相应的图像和文档资料数字化，为状态评估模块和用户界面模块提供数据支持；状态评估模块提供网络学习及状态评估两项功能；用户界面模块为管理人员提供友好的管理界面。本文将简要介绍该系统的开发过程，从而为同类型工程管理及养护提供参考。 

图1桥梁状态评估系统功能模块构成 

2 anfis的桥梁状态评估模型开发 

2.1桥梁状态评估指标体系 

根据对桥梁状态影响因素的分析，分别从承载力和耐久性两方面将影响因素层次化，提出如图2所示的城市桥梁状态评估指标体系，全面覆盖了城市预应力混凝土梁式桥的主要参数。评估指标体系中考虑了宽扁平箱梁、异型梁等在城市桥梁中比较常见的复杂结构形式对整体状态的影响[图2(a)]。在结构损伤方面按其产生的力学原因细分为弯曲损伤、剪切损伤、锈胀损伤、局部损伤、材料劣化等[图2(c)]。 

（a）承载力评估指标体系 

（b）耐久性评估指标体系 

（c）主梁损伤评估指标体系 

（d）材料劣化指标体系 

图2城市桥梁状态评估指标体系 

图1中，细实线框为输入指标项目，由桥梁技术参数、交通量、环境条件与桥梁常规检查信息等数据组成，每个输入指标统一规则化到区间[0~1]，数值越接近0表示对整体状态影响越不利。粗实线框为评估指标项目，其状态值由底层输入指标或下层评估指标的状态计算得出。评估指标项目的状态用指标状态值icv (item condition value)表示，取值范围为[0~100]，0表示极度危险状态，100表示完好状态。 

为了给桥梁管理工作提供维护建议，需要进一步对icv进行分级以描述桥梁实际状态。综合参考《公路养护技术规范》[3]，本文将icv分为五个技术状态等级，如表1所示。 

表1评估项目状态分级标准 

 

2.2单个指标的anfis结构[4~5] 

桥梁状态评估建立后，根据指标关系和各指标的权重，通过分层逐级评估得到桥梁整体状态。以指标“跨中附近开裂状况”为例说明单个评估指标的anfis结构，其结构如图3所示，为一个两输入单输出的5层神经网络结构。其中第一层有6个神经元(结点)，对应两个输入数据各自的3个状态等级；第二、三、四层均有9个神经元，对应评估该指标的模糊规则组(表)中的9条模糊规则；第五层有1个神经元，对应指标“跨中附近开裂状况”的状态值。同一层结点具有相同的结点函数。 

图3指标“跨中底板开裂损伤”的anfis结构模型 

表1评估“跨中底板弯曲开裂损伤”的模糊规则组 

 

2.3系统的递阶结构 

对于桥梁状态评估指标体系中的其他评估指标，可以用同样的方法，根据评估指标的具体情况以及对应的模糊规则组建立类似的anfis结构模型，其基本原理相同。于是所有的评估指标都可以建立类似的anfis结构模型，最终桥梁状态(承载力和耐久性)评估过程可以表示成由各个评估指标的anfis相互连接而成的网络，网络中的每一个指标的anfis都与其较高层或较低层的anfis相连接。 

3 桥梁信息数据库开发 

桥梁管理工作中需要收集、保存和查询大量的原始资料(设计、竣工资料)、检查历史资料、现场照片、维修加固历史资料等。传统的文件资料管理方法在数据量惊人的桥梁信息管理工作中存在浪费空间、查询困难、效率低下等问题。 

本系统引入关系型数据库将桥梁的基本信息、技术信息、检查历史信息、应力监测历史信息与相应的图像及文档资料电子化，在便于文件资料管理的同时，也为桥梁状态评估模块和用户界面模块提供数据支持。桥梁信息数据库的组成如图4所示。 

桥梁信息数据库为桥梁结构提供了6类档案信息：桥梁基本信息—有关桥梁名称、架设地点、建造时间、桥梁类别、建设单位、管理单位等；桥梁技术信息—几何、结构、设计等；桥梁使用信息—交通量、温度、降水量等；桥梁检查信息；桥梁应力监测数据；文档资料、图像信息—桥梁的设计资料、施工资料、常规检查资料与现场照片等。 

图4 数据库结构图 

该数据库子系统可以完成桥梁基本信息、检查记录、维修加固历史、图像信息等的输入，并提供信息查询功能。可为桥梁管理技术者提供桥梁检测数据以进行桥梁运行状态的评价。 

4 用户管理界面开发 

为了方便桥梁管理部门相关人员使用本系统的各项功能，使桥梁管理工作更有效率，本研究对各功能模块进行了整合和组装，开发了桥梁管理系统的用户界面。 

用户管理界面利用开放数据库互连(odbc)实现与桥梁信息数据库的通信，完成用户管理界面与数据库之间的信息交换，实时对数据库进行添加、修改、删除、查询等操作。 

图5是桥梁状态评估系统的开始界面图，系统各模块的功能均从主界面启动。主界面提供了便捷的功能菜单，并针对每个菜单功能设计了便捷、实用的工具栏，工具栏的第一个快捷键均对应有一个菜单栏中的功能命令。