南同蒲铁路黄河特大桥拖拉换梁施工过程施工监控设计与实现

南同蒲铁路黄河特大桥拖拉换梁施工过程施工监控设计与实现

张婧 1 向阳 2

1 中铁大桥局西北片区指挥部 ，陕西 西安 710062 ； 2.中铁大桥局武汉桥梁特种技术有限公司，湖北 武汉 430205

摘要：南同蒲铁路黄河特大桥拖拉换梁施工控制是该桥施工过程中的重要环节，且施工过程时间长，监控内容多，需实时监测施工过程监控数据，并给出受力、位移的限值及预警值，针对异常情况提出预警。因此，有必要开发拖拉换梁施工过程的施工监控系统，实时监测施工过程中，各个桥墩的转角和受力。发现受力状态或位移，当监测值接近预警值时，及时预警采取相应措施。该施工监控系统最终为南同蒲铁路黄河特大桥的拖拉换梁施工过程提供了决策依据。。

关键词： 桥梁 传感器 施工过程 施工监控

1 南同蒲铁路黄河特大桥工程概况

南同蒲铁路黄河特大桥。设计荷载等级为中-22，地震基本烈度Ⅸ度，防洪标准为100年一遇，设计水位340m。该桥孔跨布置24×48m。桥梁上部结构为钢桁梁；下部结构为墩台，最大桩基深度为35.6m。该桥所处河段为黄河小北干流游荡型河道最末端，三门峡水库库区，河槽宽800m，最大摆动范围比较稳定，冲刷深度为13m，滩地冲刷深度2.5m。

图1 南同蒲铁路黄河特大桥

2 拖拉换梁施工过程施工监控

南同蒲铁路黄河特大桥主梁更换采用拖拉换梁施工工艺，桥梁孔跨布置24x48m，桥梁上部结构为钢桁梁；下部结构为重力式墩台，最大基础深度为35.6m。拟将原有钢桁梁更换为新的钢箱梁，施工方案为钢桁梁与钢箱梁首尾相连，拖拉换梁，整个施工过程中，需要动态掌握桥墩受力及位移情况。

因此，有必要建立拖拉换梁监测监控系统，在整个施工过程中，在不同的工序下，通过先进的信息化技术，对桥墩状况进行实时自动化监测，利用收集到的特定数据进行分析计算，动态掌握桥梁受力情况及位移数值，并根据建模计算得出桥墩受力、位移的限值及预警值，对桥梁整体状态和安全进行评估，确保整个拖拉换梁施工期间的桥墩安全。

3 监控主要内容与设计思路

3.1 监控主要内容

南同蒲铁路黄河特大桥拖拉换梁施工过程监测监控系统完成的主要任务是：通过对桥墩位移、应力和温度等一系列手段监测桥梁可能的状态改变，尽早发现潜在的安全隐患，并对桥梁结构的改变及安全隐患进行预警，为施工过程出现异常情况查明原因并给与建议。

本系统主要监测外界环境和结构响应（包括位移、应力等），对结构的安全状态进行监测和评估。总体来看，本桥监控系统应完成以下任务：

基于结构动力响应的反演监测：通过对桩基础实际嵌固深度检测，并结合结构自振特性测量，获得桥梁动力特性参数（固有振动频率、振型、阻尼比等）变化，验证结构刚度。

桥梁状态仿真分析：对桥梁基础按照实际边界条件和刚度进行模拟，验算施工过程中的安全性，并得出施工过程桥墩变形、弯矩等参数的理论值。

桥梁响应监测：对大桥施工过程桥墩变形、弯矩受力等进行监测，掌握大桥的实际受力状态和使用工作状况，对桥梁结构的改变及安全隐患进行预警，预报可能存在的隐患或性能退化；

环境荷载监测：对桥梁结构如温度同步进行监测，及时了解大桥工作的环境状况；

在系统投入使用初期，重点结合监测系统测得的信息，建立起精确可靠的预测模式，为桥墩换梁施工安全做出保障。

3.2 监控设计思路

南同蒲铁路黄河特大桥拖拉换梁施工过程监测监控系统应从其力学状态（位移等结构静力响应）改变及局部构件劣化(损伤)两个方面来进行。力学状态改变主要源于荷载和温度等长期作用引起的基础沉降、桥墩倾斜、结构蠕变以及结构损伤等因素，局部构件劣化(损伤)主要来源于老化、施工缺陷、超载等因素。南同蒲铁路黄河特大桥拖拉换梁施工过程监测监控系统其设计和构建是一个集各种先进传感技术、计算机技术、信息技术以及结构力学分析计算、结构状态预警于一体的综合系统工程。另外，经过多年的探索和实践，国内外业界人士和专家学者们清楚地认识到在目前的技术水平下，仅仅依靠传感器系统来实现对桥梁结构的自动监测是不够的，必须依靠多种手段，通过多种途径建立桥梁结构运营状态监测的综合系统，才能有效地掌握桥梁结构的安全状态，从而保障施工过程的安全。

根据系统总体目标，监测监控系统依托自动化监测技术，其设计思路如下：

1）力学状态的改变通过自动化传感监测系统来获取基本信息；

2）将自动化传感测试与常规人工巡检相结合，由表及里、从局部到整体来掌控大桥的运营安全状态；

3）结合桥梁自身特点及桥梁所处的环境状态，荷载作用状态，为桥梁设置适当的阈值，并采用多角度、多手段的监测来保障监测数据的完整性、可靠性以及实用性，进而保证整个监测及预警评估系统的有效工作。

4）实现完善的软件功能，便捷的查询功能、统计及自动报表功能等；保证硬件系统的可扩展功能，稳定性。

5）对可能危及结构安全的主要影响因素，应根据各因素不同的特点分别进行监测及处理，并做到相互兼顾。

图2 施工监控流程图

4 监控系统设计与实现

4.1 系统主要功能模块

结合桥梁本身结构特点，以及施工过程的实际需要，设计整个系统由下列四大子系统构成：

1）自动化传感测试子系统；

2）安全预警子系统；

3）数据存储与管理子系统；

4）用户界面子系统；

图3 系统总体构成图

1 自动化传感测试子系统

自动化传感测试子系统的主要目的是为结构状态识别及部分损伤识别采集所需的数据。设计自动化数据采集系统具备以下功能：

1）能够向安全预警系统提供数量和精度都满足要求的监测数据；

2）满足数据实时采集的需要；

3）满足长期稳定数据采集工作的要求；

4）满足便于标定、更换和维护的要求；

5）能够实现故障自诊断报警、定位，并能够将故障限制在局部范围；

6）能够对采集的监测数据进行校验及选择存储；

7）能够按照既定程序或在用户干预下进行数据采集。

通过传感器将各类监测参量转换为系统可识别的电(光)信号，并将监测信号转换为数字信号、完成远程传输。

2 安全预警子系统

通过该子系统实现根据监测数据进行结构状态分析，并综合识别的结果以及人工巡查结果对桥梁结构的安全使用状况进行预警评估。具体为：能够对人工巡检、监测及识别的结果进行趋势对比、分析与预测；对桥墩位移、桥墩受力等监测参数建立明确的预警指标，能够对监测结果进行分级预警；综合各种监测数据、巡检信息、内力状态信息对结构进行综合评估。设计该子系统具备如下具体功能：

1）能够通过设置明确的阈值，对实时监测结构状态参数信号进行判断和分级预警，及时通知施工单位停止施工进行问题排查，并对报警情况进行记录；

2）能够对自动化监测数据进行统计、对比分析，趋势分析和相关性分析；

3）能够综合各种监测数据、巡检信息和分析结果，对结构安全和使用状态进行总体评价。

3 数据存储与管理子系统

通过该子系统可实现整个监测系统所有数据的平台管理工作，完成数据的归档、查询、存储等操作，在系统全寿命期内统一组织与管理数据信息，为系统维护与管理提供便利，也为各应用子系统提供可靠的分布式数据交换与存储平台，方便开发与使用。设计该子系统具备如下具体功能：

1）建立与各种监测数据的数据类型、数据规模相匹配，并与其采集、预处理、后处理功能要求相适应的分布式数据存储结构，以及相应的数据交换模式，构建系统数据库；

2）能够实现监测数据的预处理、分类存储以及自动备份；

3）具有相应的软硬件安全机制，保证数据的安全，防止数据丢失或被人为恶意破坏、盗用。

4 用户界面子系统

通过该子系统实现将各种数据实时按需求向用户展示，并且接受用户对系统的控制与输入。通过建立在监控中心监控服务器上的，基于B/S架构的一系列可视化软件组件，向监控中心现场操作人员以及授权的远程客户端用户提供友好的人机交互界面，实现便捷的系统控制、监测数据立体查询和在线分析。设计该子系统具备如下具体功能合特征：

1）提供方便的检测信息录入接口；

2）提供逻辑结构清晰的，集图形、表格、文字等多种形式于一体的数据信息展示方式，展示效果简明且直观；

3）具备远程信息发布与共享，远程授权操控能力；

4）具有自动化报告、报表生成功能；

5）展示和操作界面风格友好，布局合理，操作方便。

4.2 传感器的布设方法

监测监控系统选用目前世界上最先进的传感技术，系统的传感器布设应分别符合下述要求。

①传感器的整体布置应能量测桥梁局部及整体的荷载和响应变化，并能够和相关的大桥设计荷载和响应变化进行比较。

②传感器应布置在有较大荷载和响应(或产生结构损伤几率较大)的构件或位置，而这构件或位置应根据分析、测试和以往经验所确定。

③传感器的选择和布置，考虑其测量数据能和大桥分析模型(例如：各类型的有限元模型)所推导数据结合去进行相关性比较或分析。

（1）桥墩位移监测

桥墩位移影响桥梁结构整体受力及主梁线形，它与主梁挠度同样是桥梁结构力学行为特征的直观体现，对于判断桥梁结构受力状态具有重要意义。特别是桥梁受到外部冲击、地震等强烈外载作用下，监测桥墩位移显得更为重要。

系统设计采用倾角传感器对其进行监测。桥墩倾斜变形测点全桥共23台，分别布置于各被监测桥墩上。

（2）桥墩应力监测

在桥墩顶部和梁底处安装应力传感器，每个桥墩安装2只传感器，对桥墩应力变化进行监测，系统设计采用应力传感器对其进行监测。墩梁位移测点全桥共46个，分别布置于各被监测桥墩上。

传感器监测点的布设位置图见图4。

图4 监测系统现场布置图

5 监测系统软件

在本项目施工过程监控中，基于BIM技术，开发施工过程监控信息化、可视化界面，为现场施工提供技术服务。通过BIM技术建立项目模型；然后，在施工过程中，对设置在各个桥墩的倾角仪、应力传感器等高精度测试元件进行数据自动采集，传输至数据处理中心进行数据处理并展示，同时通过拖拉千斤顶行程测量结果换算成主梁水平位移等参数驱动BIM模型，进行施工模型的电子沙盘展示。

图5 系统软件界面图

6 结论

主梁拖拉过程实时监控是南同蒲铁路黄河特大桥施工控制工作的重中之重。施工过程中，需同步实时监测各个桥墩的转角和受力。施工中，检测发现受力状态或位移接近预警值时须立刻通知施工单位，提示其停止作业，查明原因并解决问题后方可重新开始工作。施工过程时间长，监控内容多，需实时展示施工过程监控数据，并给出受力、位移的限值及预警值，并针对异常情况提出预警。该施工监控系统最终为南同蒲铁路黄河特大桥的拖拉换梁施工过程提供了决策依据。

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