結構監(jiān)測領域的方法研究是當前學術界的熱點，但其與工程領域的實際應用結合不夠。因此，有必要在加強系統(tǒng)維護的基礎上，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)分析促進系統(tǒng)維護，以系統(tǒng)維護保障結構評估，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)有結構監(jiān)測系統(tǒng)功能，從而準確把握結構變化規(guī)律，動態(tài)評估結構健康狀態(tài)，確保結構運營安全。

　　江蘇交通控股有限公司（以下簡稱“江蘇交控”）作為江蘇省內長大橋梁管養(yǎng)數(shù)量最多的單位，且為國內最早建立結構監(jiān)測系統(tǒng)的單位之一，早在1999年就建成了長大橋梁結構監(jiān)測系統(tǒng)。截至目前，該系統(tǒng)已存儲了海量數(shù)據(jù)，但由于結構監(jiān)測數(shù)據(jù)分析側重于實時數(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)單位對橋梁結構監(jiān)測能力、突發(fā)事件認知

　　水平和監(jiān)測預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)相關性研究，進而掌握長大橋梁結構性能衰變、重載交通下結構性能變化等規(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)護技術有限公司（以下簡稱“蘇高技術公司”）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，蘇高技術公司以長大橋養(yǎng)護需求為導向，集中優(yōu)勢力量進行重難點技術攻關，同時聯(lián)合數(shù)據(jù)中心成立跨部門攻關研究組（以下簡稱“研究組”），以充分發(fā)揮養(yǎng)護專業(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)內在規(guī)律。研究組從養(yǎng)護專業(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)間的關聯(lián)性，并以長大橋養(yǎng)護需求指引大數(shù)據(jù)分析探索方向，以大數(shù)據(jù)分析手段進一步明確長大橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)參數(shù)指標規(guī)律，分析選取了江蘇交控系統(tǒng)內兩座典型大橋的近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，在結構監(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-變形指標標準場的可行性。研究共分3個階段，前期進行歷史數(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；在此基礎上，中期進行結構溫度、變形、位移類指標長期變化趨勢分析，并根據(jù)數(shù)值分布特點建立概率模型，初步實現(xiàn)了結構響應發(fā)生概率預測；最后，根據(jù)結構響應與外界作用的相關性，探索建立了主梁橫向位移與風速的標準場及梁端縱向位移與結構溫度的標準場，可在某一風速、某一溫度下，評估主梁橫向、縱向位移概率分布，實現(xiàn)了對變形指標響應的范圍預測。

　　/ 數(shù)據(jù)梳理與清洗 /

　　傳感器與傳輸系統(tǒng)設備故障、接觸故障、電磁干擾等問題，常常造成結構監(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，一旦直接應用于后續(xù)分析，必然會極大干擾評估結果準確性。因此，為有效利用測試數(shù)據(jù)中所包含結構描述、監(jiān)測系統(tǒng)當前狀態(tài)的有用信息，須對橋梁結構監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預處理，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)進行后續(xù)分析，進而診斷監(jiān)測系統(tǒng)的基礎。根據(jù)已完成的大量數(shù)據(jù)分析工作，橋梁結構監(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，進一步提高了數(shù)據(jù)梳理的準確性和效率。對因各類異常導致的數(shù)據(jù)跳點、階段跳躍、超量程、隨機漂移進行分析，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，進而解決數(shù)據(jù)修復問題。經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)，可反映結構真實狀態(tài)，通過統(tǒng)計將處理后的數(shù)據(jù)輸出，可解決統(tǒng)計值錯誤影響結論的問題。

　　/ 長期趨勢分析 /

　　根據(jù)目前大跨徑橋梁振動效應、變形效應研究的發(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場規(guī)律并了解風速對橋梁主梁、索塔振動及主梁、索塔位移的影響，是目前橋梁風工程界的研究熱點之一。

　　依托江蘇交控系統(tǒng)內兩座典型大橋的近10年數(shù)據(jù)，研究組開展了結構關鍵指標長期變化趨勢分析及多指標趨勢統(tǒng)計，不僅基于同環(huán)境、同期對比分析了兩座大橋的結構溫度、風速、位移數(shù)據(jù)，在風場長期變化趨勢上，還對兩座大橋受到的風速影響進行統(tǒng)計。根據(jù)歷年的兩分鐘平均風速極值數(shù)據(jù)，研究組得到塔頂和跨中風速極值的均值、均方差，分析發(fā)現(xiàn)風速極值等因素均服從正態(tài)分布規(guī)律；通過建立風速超越概率模型，可初步預測未來大橋塔頂及橋面風速達到各級風的概率。

　　在大橋溫度場方面，研究組對兩座大橋多年有效結構溫度的變化情況進行了統(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年結構高低溫超越概率分析可知，大橋結構溫度發(fā)生高溫報警的概率大于低溫報警。

　　在大橋結構整體變形方面，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，結構變形主要由風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，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。

　　/ 關鍵指標標準場分析 /

　　大跨徑索承橋梁結構體系應具備足夠的抗風強度、抗風剛度和抗風穩(wěn)定性，保證成橋狀態(tài)下，橋梁不會發(fā)生風致靜動力失穩(wěn)、強度和剛度發(fā)生破壞，橋梁的風致振動不會影響行車安全、結構疲勞和使用舒適性。根據(jù)《公路懸索橋設計規(guī)范》（JTGT D 65-05-2015）第 5.2.12 條的規(guī)定：加勁梁在風荷載作用下，最大橫向位移不宜大于跨徑的1/150。而風荷載是導致主梁發(fā)生橫向位移的主要作用力，鑒于此，一方面監(jiān)測跨中風速，另一方面基于跨中風場特性，構建“風速-跨中”橫向位移關系，對于實時掌握大橋主梁剛度、穩(wěn)定性狀態(tài)，實現(xiàn)強風條件下主梁安全預警十分必要。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速數(shù)據(jù)及跨中橫向橋主梁位移數(shù)據(jù)，提取出結構主梁10分鐘靜風壓下的橫向位移響應，并由此構建出不同風速等級下的主梁橫向位移概率分布標準場。

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

　　基于相關性分析結果，研究組以顆粒度每秒1米的風速水平為區(qū)間，建立了10分鐘均值下的主梁橫向位移-風速等級標準場，并劃分32個風力等級。在不同風力等級下，主梁橫向位移指標散點分布多趨向于正態(tài)分布，在確定的風速等級下，通過概率分布參數(shù)可進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-結構溫度概率標準場，首先要解決梁端位移關于結構溫度的滯后效應。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)相關性分析方法消除時滯效應，同時提升基于溫度評估梁端位移的準確性。研究組還建立了主梁梁端位移-結構有效溫度的相關模型，分析得出，主梁梁端位移-結構有效溫度服從考慮溫度滯后效應的線形變化規(guī)律?；谝陨舷嚓P性分析結果，以顆粒度3攝氏度有效溫度水平為結構區(qū)間，建立大橋主橋1小時均值下的主梁梁端位移-結構溫度等級標準場，并劃分20個結構溫度等級。在各等級下，主梁梁端位移指標散點分布多趨向于正態(tài)分布，在確定的結構溫度等級下，通過概率分布參數(shù)可進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)交通運輸部相關文件指示，到“十四五”末，全國將有600余座長大橋梁建立結構監(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)相關算法。下一步，研究組將在既有工作基礎上，繼續(xù)進行長大橋梁結構監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)探索挖掘工作，以期進一步解決數(shù)據(jù)梳理、數(shù)據(jù)清洗及長期趨勢分析的技術難題，構建多因素概率標準場，為深入開展多源數(shù)據(jù)相關性研究，探索結構性能衰變及重載交通下結構性能變化規(guī)律夯實基礎。

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