摘 要：本文介绍了DCBMS 的研究目的及特点，并以哈尔滨松花江斜拉桥为背景桥进行研究，系统地阐述了DCBMS 中各模块的主要功能和相应理论。DCBMS 根据人工检查数据库、桥梁基本资料库和健康监测子系统的数据信息，通过分析计算能够完成桥梁的寿命预测、病
害诊断、综合评估和维修管理等功能，进而使大跨度斜拉桥的养护管理基本上实现了数字化、专家化、科学化。有效避免结构出现突然破坏，确保大跨度斜拉桥的使用寿命。通过该系统的运行，可为大跨度斜拉桥的养护管理工作提供实时的、详细具体的技术指导。
关键词：斜拉桥；养护管理；综合评估；系统开发

1. 引言
大跨度斜拉桥由于其特有的结构形式及跨越能力，近几年在我国出现了建设高潮。大跨度斜拉桥造价较高，并且一般位于干线要道，因此应确保其运营安全，并尽可能达到或延长其使用寿命。因而在桥梁的运营期间，应对其加强日常的适时维护工作。传统的养护观点是
将桥梁作为公路的一部分加以管理，桥梁养护管理工作主要是修补危害运营的部分，即重新涂刷、修补铺装的凹陷以及因交通事故而损坏的一些桥面设施等，其实质是防御性的。显然这对以往的中小跨径桥梁基本可以满足要求。然而对于斜拉桥这种复杂的结构，仅仅通过简
单的养护措施和技术手段是不能满足要求的，而必须将斜拉桥的养护工作作为独立的领域进行单独处理，为此我们开发了一套大跨度斜拉桥养护管理系统。与传统的中小桥梁管理系统相比[1]，该系统更强调系统的数字化、专业化、专家化，专业化、专家化最终亦是通过数
字化来实现的。因此我们称之为数字化斜拉桥养护管理系统DCBMS（Digital Cable-stayedBridge Management System）。
2. 系统研究的背景、特点及作用
在教育部高等学校博士学科点专项科研基金以及黑龙江省交通厅科技项目的资助下，本课题以哈尔滨松花江斜拉桥为背景桥进行研究。哈尔滨松花江斜拉桥是黑龙江省第一座大跨度斜拉桥，是哈尔滨绕城高速公路主干线上的标志性工程。该桥的主桥为双塔双索面钢-混凝土组合梁斜拉桥，主桥跨径布置为44m+136m+336m+136m+44m，全桥宽33.2m[2]。对于这样一座处于寒冷地区的大型桥梁结构，如何进行养护管理是摆在桥梁工程师面前的重要任务。
DCBMS 系统开发的目的是对大跨度斜拉桥结构进行适时、正确和高效的运营与管理。DCBMS 的核心是由传统养护工作的防御性转向技术预测，变以往的消极防御为积极防御，即将现场调查→现场检测→计算识别与判别→维修与预测的整个过程系统化，并将大型斜拉桥施工控制、健康监测、养护管理系统一体化。通过数字化斜拉桥养护管理系统DCBMS的开发与运行，可以发现斜拉桥在运营期间的结构异常，包括整体异常、局部异常，寻找产生问题的原因以及解决问题的办法，使大跨度斜拉桥的养护管理科学化；另一方面，通过该1 1 本课题得到教育部高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20050213008）的资助。
系统的适时运行，可以积累大量的构件（系统）的连续病害资料，这样可以不断修正考虑疲劳效应、环境腐蚀和材料老化耦合作用的损伤累积演化规律及其与抗灾能力的衰减关系，使得受损结构随机建模与分析及灾变预测更加接近实际情况，从而最终避免斜拉桥在运营期间
出现突然破坏，保证并延长斜拉桥的使用寿命[3]。
3. 系统的开发平台
根据DCBMS 的特点，为存储大量的数据，同时考虑到程序的扩展性、各模块间的兼容性以及在不同计算机上的移植性等，该系统拟采用Visual C++.NET 和Access2000 数据库作为开发平台。DCBMS 系统与健康检测子系统是两个独立的系统，DCBMS 系统可调用健康检测子系统的数据，而对于健康检测子系统在此不作介绍。
在众多的类库开发工具中，采用MFC (Microsoft Fundamental Class)编写的应用程序执行代码小、速度快，它将逐渐成为Windows 下的类库开发标准，因此使用Visual C++.NET中的MFC 类库可以大幅度提高系统的开发效率。Access 是基于Windows 的数据库产品，与
其他数据库相比，它以短小精悍、易于使用而著称，其主要特点是：具有强大的数据库管理功能；具有多用户数据库管理功能，一个Access 数据库既可供单个用户使用，也可由多用户在网络上共享；采用OLE 技术存放图像、声音等。ADO(ActiveX Date Object)是Microsoft
数据库应用程序开发的新接口，是建立在OLE DB 之上的高层数据库访问技术。ADO 技术可以用来构造可复用应用框架，被多种语言支持，能够访问关系数据库、非关系数据库及所有的文件系统，具有易于使用、访问灵活、应用范围广的特点。考虑到以上因素，本系统采
用ADO 作为应用程序Visual C++.NET 与Access2000 数据库的连接。
4. 系统的主要功能及技术关键
DCBMS 系统所涉及的理论和方法主要包括斜拉桥结构分析理论、桥梁运营期间病害与损伤识别方法、结构检测与监测理论、桥梁综合评估理论、数据库理论及相关的计算机软件开发方法等。DCBMS 系统的主要功能模块见图1，由其特点可知，该系统既要方便地存储大量的数据信息，又要进行复杂的计算分析，还要具有一般的养护、维修和管理的指导功能。
下面将简要介绍DCBMS 系统中一些主要模块的功能及技术关键。
4.1 基本数据模块
（1）人工检查数据库
虽然近年来桥梁的健康监测系统已有了一定的发展，但由于其固有的缺陷，仍难以作为养护管理系统的主要数据来源。基于以上原因，我们仍要采用传统的人工检查方法，对桥梁进行定期地、局部细致地检查与检测，以便系统地掌握桥梁的技术状况，及时发现构件缺损
和相关环境的变化，采取相应的养护、管理和维修措施。而桥梁健康监测子系统暂作为桥梁养护管理系统数据来源的辅助手段。
DCBMS 的人工检查数据库包含经常检查、定期检查、特殊检查和桥梁综合技术状况检查数据资料。桥梁经常检查、定期检查与特殊检查旨在发现问题；桥梁综合技术状况检查则是在已经部分了解问题的情况下，进行全桥全面、综合性的检查以确定问题的严重性。
（2）桥梁基本资料库
桥梁的基本技术资料是DCBMS 的基础。桥梁基本资料库包含桥梁的设计基本资料、施工控制资料、竣工资料以及重车过桥记录、桥上事故记录等。其中将斜拉桥施工控制结果与养护管理系统合为一体，可以更加清晰地了解结构的实际工作状态，更加有效地分析结构产生病害的原因。
（3）健康监测子系统
健康监测子系统共有两部分内容：荷载监测和响应监测。其中荷载监测主要包括风荷载、温度荷载和车辆荷载监测，其目的是报告桥梁在各种工作环境下的结构载荷变化。响应监测主要包括桥梁关键部位的应变、加速度和位移的监测，其目的是报告桥梁各主要构件的实际
工作状况。人工检查数据库与健康监测子系统二者相辅相成，为桥梁结构的养护维修工作提供了重要的依据。
4.2 结构分析模块
结构分析模块主要包含两个子系统：平面分析子系统和空间分析子系统。其中平面分析子系统主要用于模拟桥梁结构的实际受力状态，控制结构的内力与线形，同时兼有长期性能预测的功能，用于斜拉桥的模拟和仿真分析。空间分析子系统主要用于模拟斜拉桥的局部受
力状态，包括斜拉索与钢主梁疲劳、整体动力性能、车桥振动性能等的模拟和仿真分析。
一般而言，空间分析子系统可以推演局部构件的力学状态，平面分析子系统可以推演结构整体的力学状态。这二者之间应该互相验证、互相推演，从而扩大数据的利用效率，并验证数据的有效性。平面分析子系统和空间分析子系统能够帮助确定斜拉桥综合评估中一些底
层评估指标的评估值与预警级别，从而指导下一步的养护维修对策。
4.3 评估诊断模块
（1）综合评估子系统
斜拉桥综合评估子系统采用两种评估方法：不确定型AHP 综合评估[4]和模糊综合评估。
前者以打分的形式给出，后者则以隶属度的形式给出。由于大跨径桥梁综合评估的复杂性，目前各种方法在理论上均有一定的局限性，因而本系统采用了两种综合评估方法。通过综合评估子系统能够得到桥梁结构的技术状态，为进一步的养护维修决策提供依据。综合评估子
系统的设计框图见图2。
图3 为用于哈尔滨松花江斜拉桥综合评估的层次模型，该模型是一个多目标多层次的指标模型。选择索塔、斜拉索、主梁、墩台基础和附属设施作为5 个一级指标；选择线形、应力等23 个元素作为二级指标；选择氯离子含量、混凝土强度等20 个独立元素作为三级指标。
专家信息
数据库
大跨度斜拉
桥综合评估
权 重底层指标评语
健康监测
数据库
人工检测
数据库
等级评语
模糊评估的
变权理论逐
层综合
百分制评语
综合评估的
变权理论逐
层综合
不确定型
AHP评估
模糊评估
各指标综合评估结
果和整体评估结果
图2 综合评估子系统的设计框图
（2）结构预警功能
斜拉桥结构在经过人工检查和健康监测后，某些构件的性能指标超过或即将超过规范允许值，此时将进行构件预警。另外，通过结构分析模块和斜拉桥综合评估子系统可以计算得到桥梁结构各部分的工作状态，若其超过或即将超过规定限值，也将进行结构预警。
（3）病害诊断功能
开发以静力参数为主，动力参数为辅的整体病害分析诊断系统。结构的静力参数反演效果比动力参数反演效果更加有效、稳定。与施工控制期间参数识别不同的是，结构运营期间的静力参数识别主要以结构的刚度为主。静力反演的核心是通过结构环境场、结构空间位置、
边界条件的量测结果，来反演结构的刚度。目前斜拉桥养护管理系统的现状是可以发现整体病害，但是很难合理解释并选择适当的处置措施，其根本原因在于斜拉桥结构系统本身的复杂性，每一位专家的知识面都不可能尽善尽美。因而我们需要通过建立斜拉桥病害分析的精
细模型与方法，模拟病害过程，建立整体病害诊断库，研究其分布规律，从而为养护管理提供科学决策的参考[5]。
（4）预测功能
DCBMS 的预测功能能够提前给出桥梁未来任意时刻的工作状态，使养护部门可以提前了解桥梁在未来时期的危险或较危险的工作状态，从而预先进行必要的处理措施，避免结构的突然破坏。
4.4 决策管理及其它功能模块
通过结构分析模块和评估诊断模块，可以指导斜拉桥的维修管理和进一步的检查检测工作。决策管理模块主要是针对各种病害提出一些维修建议，如裂缝的表面处治与补强、墩台与基础的加固等，这些方法均可从国内外文献中挑选出来的，具有一定的指导意义，基本能够满足斜拉桥正常的维护需要。同时该模块还具有可扩充性。
除此之外，DCBMS 还包括打印查询模块、用户使用手册、养护管理指南和实验方法手册等模块，在此不做详细介绍。
索 塔
墩台基础
附属设施
主 梁
斜拉索
线形
应力
混凝土质量
锚固系统
拉索保护层
索力
拉索振动
线形
联结状况
桥面板
钢纵梁
钢横梁
墩台意外事故
基础冲刷
混凝土质量
均匀沉降
不均匀沉降
支座
排水设施
桥面铺装
照明等其它设施
伸缩缝
混凝土表观缺损
混凝土裂缝
氯离子含量
混凝土强度
混凝土碳化深度
行车噪音
伸缩状况
橡胶条老化
接缝处高差
接缝处铺装破碎
相对位置偏离
垫石破损
材料磨损
锚固件损伤
梁底异型钢板锈蚀
一级指标二级指标三级指标
混凝土碳化深度
混凝土强度
氯离子含量
混凝土裂缝
混凝土表观缺损
混凝土表观缺损
混凝土裂缝
氯离子含量
混凝土强度
混凝土碳化深度
桥面贯通裂缝
桥面破损
桥面凹凸
支座脏污、钢件劣化
拉索面积损失
松
花
江
斜
拉
桥
综
合
评
估
混凝土电阻率
混凝土电阻率
混凝土电阻率
图3 哈尔滨松花江斜拉桥综合评估的层次模型
5. 结论
随着斜拉桥建设规模的不断扩大，以及对斜拉桥养护管理重要性认识越来越深刻，我们有必要将大跨度斜拉桥作为独立的系统进行养护管理。为此我们开发了数字化斜拉桥养护管理系统DCBMS。本文介绍了DCBMS 的研究背景、目的、特点及开发平台，系统地阐述了DCBMS 中各模块的主要功能。该系统根据人工检查数据库、桥梁基本资料库和健康监测子系统的数据信息，通过分析计算能够完成桥梁的长期性能预测、病害诊断、综合评估和维修管理等功能，从而使大跨度斜拉桥的养护管理数字化、专家化、科学化，避免结构出现突然破坏，保证并延长大跨度斜拉桥的使用寿命。DCBMS 能够为大跨度斜拉桥的养护管理工作提供实时的、详细具体的技术指导，从而提高桥梁科学化管理水平和信息化水平。
参考文献
[1] 李昌铸. 公路桥梁管理系统(CBMS2000)的开发与应用[J]. 公路交通科技, 2003, 20(3): 84-90
[2] 刘绍云. 松花江大桥建设与管理[M]. 北京: 中国计划出版社, 2004.