另辟蹊径的在线“体检”——长大桥梁承载能力监测评估新技术

作为交通基础设施生命线的咽喉，长大桥梁具有服役环境恶劣、结构形式复杂、病害问题突出、垮塌后果严重的特点，其可靠运营与人民群众生命财产安全息息相关。因此，有必要对长大桥梁在持久状况和偶然状况下的承载能力进行及时评估，进而为运营维护的科学决策提供技术支撑。

荷载试验是长大桥梁通车前的最后一道“体检”，其通过等效模拟运营车辆荷载，现场测试桥梁各关键部位响应，来判断结构承载能力是否符合设计和规范要求，并为后续交工验收、管理养护、加固改造等提供基础技术资料。我国《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01－2015）和美国现行《桥梁评定手册》（Manual for Bridge Evaluation）均是通过修正系数来反映作用效应与结构抗力的关系，并以此实现对桥梁性能的定量评估。整个流程分为两个阶段，首先是检测桥梁的缺损、材质等参数，初步判断承载能力；对于不满足要求的桥梁，需开展荷载试验进行二次评估。此种技术已较为成熟，但存在中断交通、时效性差、存在致损风险和成本高昂的缺点。例如，金烽乌江大桥荷载试验采用了48辆总重达1680t的货车，刚刚通车的深中大桥更是采用了136辆总重约5000t的货车。荷载试验产生的车辆租赁费、人工费、中断交通损失和社会负面舆情等，常令养护管理部门难以承受。因此，亟需研发一种安全、准确、在线的评估技术，以实现桥梁风险隐患的“早发现、早消除”。

近些年，随着先进传感、物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术日臻成熟，结构健康监测技术日益受到行业重视。其科学内涵是利用现场的、无损的、实时的方式采集结构的输入与输出信息，分析结构性能的波动、劣化或损伤特征，并为管理和养护提供决策支持。因该技术具有实时采集外部环境荷载、在线把握结构响应特征、识别结构可能损伤形式、揭示结构倒塌破坏机理、优化结构养护维修计划、验证发展既有设计理论的独特优势，而被业界广泛认可。为此，交通运输部在2020年发布了《关于进一步提升公路桥梁安全耐久水平的意见》，在文中明确指出，到2025年要实现跨江跨海跨峡谷等特殊桥梁结构健康监测系统全面建立，到2035年公路桥梁结构健康监测系统全面建立的工作目标。然而，目前一些桥梁管养部门尚存在“重系统建设，轻数据分析”的现象，使得宝贵的桥梁监测数据沦为了摆设，无法评估结构的服役安全。

为此，本文以数字孪生理念为牵引，建立了监测数据驱动的桥梁孪生模型“建-修-校”一体化技术体系，基于此提出了面向《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01－2015）的“孪生模型间接评估法”和面向《公路桥涵设计通用规范》（JTG D6－2015）的“孪生模型直接评估法”，实现了长大桥梁安全、准确、在线评估。

数字孪生（Digital twin）最早是由美国国防部提出，它实现了真实物理系统与赛博空间（Cyberspace）数字化模型的相互反馈，亦被称为数字双胞胎或数字化映射。通俗来讲，该技术是要构建一个与真实物理系统在全寿命周期，能够实时更新和双向交互的仿真模型（图1）。因此，它的重要性不仅在于可以反映真实物理系统，更重要的是它实现了物理系统与孪生模型之间数据的双向流动，即通过孪生模型可以向物理系统反馈信息，甚至反向控制物理系统。借助该模型，工程技术人员能以极低的成本对其开展分析、研究和试错，进而可在线评估物理系统的健康状况、预测其剩余使用寿命，并对各种突发状况或持久状况制定预案。

图1 数字孪生模型基本理念

将数字孪生理念引入到桥梁工程，是破解结构健康监测系统难以发挥作用的有效途径。笔者认为，桥梁数字孪生技术应由动态仿真、虚拟评估和决策反馈三部分组成（图2），其标志性特征是建立的数值模型能与实桥保持实时自演化，其关键核心是对动态演化模型进行虚拟加载快速检算，其最终目的是将评估结果及时反馈给管养部门，最终实现桥梁的“治小病、防大病”。

图2 桥梁数字孪生技术组成

桥梁孪生模型构建技术包括多尺度建模、全方位修模和动态化校模（图3），基于此才可实现全寿期孪生模型精细、准确、高效的实时自演化。

图3 桥梁孪生模型构建流程

为同时满足孪生模型的计算精度和效率，应采用不同尺度的单元对桥梁建立一个精细的多尺度模型。这需要突破两项技术瓶颈，一是如何确定细观单元的建模长度？二是如何耦合宏细观单元的边界？笔者通过引入圣维南原理确定了宏细观单元的合理长度，并提出了分析界面应力稳定的宏细观单元多点变形协调耦合技术，实现了不同尺度单元之间的可靠连接。

由于建模参数取值、边界条件设置等误差，初始模型与实桥之间尚存在较大差异，因此需进行合理修正。既有模型修正技术需开展荷载试验，以获取输入和输出的对应信息，这在工程实际中难以操作。有鉴于此，文章提出了基于监测数据概率等效重构的桥梁输入-输出映射技术，通过将荷载试验中荷载与响应的一一对应关系，转化为长期监测中荷载与响应概率模型的对应关系，从而实现了模型预测响应与实桥响应的精准匹配。

桥梁在全寿命期间性能会发生动态演化，包括周期性波动、渐变性劣化和突发性损伤。修正好的模型若保持固化不变，将无法反映此种演化特征。因此，需对其进行快速高效的动态校准。然而，模型修正时长随修正参数个数的增加呈指数型增长，且随机车流加载为动态批量加载，耗时极长。为此，本文提出了基于自适应代理模型训练拟合的桥梁模型参数高效校准技术，有效规避了对整个模型迭代加载而耗时过长的难题。

桥梁评估的基本思想是通过对比作用效应和结构抗力的大小来判断承载能力。面向工程实际需求,本文系统构建了涵盖多种方法、不同状况、各类场景的桥梁承载能力评估技术体系(图4)。即采用多种方法评估,来确保结果可靠；针对不同状况评估，既要包括持久状况，又要包括偶然状况；实现各类场景评估，真正锁定业主需求。

图4 桥梁评估工程需求

面向《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01－2015）和《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60－2015），本文基于孪生模型分别建立了“间接评估法”和“直接评估法”。

1.间接评估法。其核心思想是依据评估规范，在孪生模型上虚拟施加车辆荷载来代替荷载试验，并通过计算校验系数查表获得检算系数进行评估。这种方法具有无需外业操作、可任意加载、无致损风险、成本可忽略的优势。

2.直接评估法。众所周知，我国评估规范与设计规范在使用上有两点不同：一是桥梁设计时采用的荷载形式是分布荷载+集中荷载，而在桥梁检测时因无法施加分布荷载，只能施加等效的车队荷载；二是承载能力极限状态的设计荷载效应是内力（弯矩、剪力等），但在实际测试时无法直接获取内力，只能获取桥梁响应（挠度、应变等），通过计算检算系数进行间接换算。由于孪生模型可看作一座真实桥梁，故可直接对其施加设计荷载来计算结构内力，这样即可实现对桥梁任意构件的快速评估。

桥梁评估应针对持久状况和偶然状况两种情形分别开展。对于桥梁正常服役的持久状况，应重点关注其安全性和适用性，因此需要经常评；而对于桥梁突发事件的偶然状况，应重点关注其安全性，此时需要及时评估,涉及下列两种场景。

1.持久状况评估。桥梁在永久荷载、汽车荷载、温度作用和风荷载等长期作用下，结构性能逐步退化。通过修正抗力，对比最不利荷载组合下的荷载效应评估其承载能力极限状态和正常使用极限状态。前者主要包括抗拉/压、抗剪、抗弯等材料破坏极限状态，而对于疲劳极限状态承载能力(正交异性钢桥面板等)需进行特殊评估，后者主要包括刚度和抗裂性能等正常使用极限状态。

2.偶然状况评估。针对车辆燃爆、极端天气、船舶剐撞、吊杆断裂等突发事件，本文建立了桥梁快速评估标准化技术流程。突发事件结束后，可采用无人机现场快速定损，通过在孪生模型上精细模拟损伤以评估承载能力，可为业主提供通行或维护决策建议。

桥梁评估可分为两大、三小场景，即新建桥梁（竣工验收）、在役桥梁（有\无监测系统）。在实际中，应根据工程需求和现场条件，灵活选择最适宜的桥梁评估技术（图5）。(1）新建桥梁。本文建议依据《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01－2015），对桥梁进行全面“体检”，检验设计和施工质量，形成“指纹”档案。该技术属于关键点评估，需要长时中断交通、致损风险中、评估成本高，故仅推荐面向新建桥梁。(2）无监测系统桥梁。建议采用笔者提出的快速荷载试验技术，同步获取车辆位置和桥梁响应数据，基于此修正桥梁模型并虚拟加载以检算承载能力。该技术属于全方位评估，需要短时中断交通，致损风险低、评估成本中。(3）有监测系统桥梁。对于该场景，可选用本文提出的孪生模型构建技术，并对其虚拟加载以检算承载能力。该技术属于全方位评估，无需中断交通，致损风险无、评估成本低。

图5 桥梁评估技术选取建议

为检验监测评估技术的可靠性，本文以某长江大桥为例，对三种技术进行了全面检验。该桥是一座双塔钢箱梁悬索桥，主跨1280m，2007年底竣工通车（图6）。本次检验共设置了三种场景：一是静力荷载试验，二是快速荷载试验，三是在线监测评估。通过对三种场景评估结果分析，可以看到快速荷载试验与监测评估结果相同，两者可以相互校验，桥梁服役13年后整体性能退化3%，但极限状态仍满足规范要求。

图6 某长江大桥现场检验实施

综上，长大桥梁评估应遵循“安全可靠、技术先进、经济合理”的三大原则，依据工程需求和现场条件，灵活选择最适宜的技术。随着科学技术进步，荷载试验不应再是桥梁承载能力评估的唯一选项，面向工程需求的监测评估技术将代表未来发展趋势。