西江特大橋基于BIM技術(shù)的建管養(yǎng)一體化平臺(tái)探究

方超 毛幸全

（廣東省南粵交通清云高速公路管理中心，廣東 廣州 510000）

為實(shí)現(xiàn)廣東汕（頭）湛（江）高速公路清遠(yuǎn)清新至云浮新興段西江特大橋（以下簡(jiǎn)稱“西江特大橋”）在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的科學(xué)信息化管養(yǎng)，提高管養(yǎng)效率，項(xiàng)目組開展了基于BIM（Building Information Modeling）技術(shù)建管養(yǎng)一體化平臺(tái)技術(shù)的研究，力求通過現(xiàn)代化的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估，為大橋運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的科學(xué)信息化管養(yǎng)提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

一、研究思路及技術(shù)路線

西江特大橋項(xiàng)目組基于大橋結(jié)構(gòu)計(jì)算分析和運(yùn)營(yíng)期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，構(gòu)建了大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取大橋結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力響應(yīng)狀態(tài)。

開發(fā)對(duì)接西江特大橋建設(shè)期BIM模型的接口協(xié)議，實(shí)現(xiàn)“可視即可得”的橋梁可視化管養(yǎng)；平臺(tái)基于橋群設(shè)計(jì)理念，后期可無縫擴(kuò)展接入多座橋梁，同時(shí)將橋梁自定義化設(shè)計(jì)理念貫穿系統(tǒng)設(shè)計(jì)始終。

通過成橋荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)修正大橋的初始有限元模型，建立溫度變化與結(jié)構(gòu)變形之間的基準(zhǔn)模型，并運(yùn)用統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)監(jiān)控模型殘差，建立基于溫度變形的懸索橋運(yùn)營(yíng)狀態(tài)監(jiān)控方法。

二、課題研究成果

（一）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合大橋橋址區(qū)運(yùn)營(yíng)環(huán)境特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)受力特性和構(gòu)造特點(diǎn)，可以確定地震動(dòng)荷載監(jiān)測(cè)、伸縮縫及支座位移監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力及振動(dòng)特性監(jiān)測(cè)、吊索索力監(jiān)測(cè)、主梁的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)等方面的監(jiān)測(cè)內(nèi)容。

（二）建設(shè)期BIM 模型數(shù)據(jù)共享研究

項(xiàng)目組研究開發(fā)了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與BIM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口與平臺(tái)，包括基于UDP協(xié)議的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接口、基于Web Service的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)調(diào)用接口，并建立了基于建設(shè)期BIM模型與健康監(jiān)測(cè)相融合的一體化平臺(tái)。

為實(shí)現(xiàn)與建設(shè)期BIM模型的數(shù)據(jù)共享與傳遞，滿足建設(shè)期BIM模型承載橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)橋梁精細(xì)化、動(dòng)態(tài)化管理，項(xiàng)目組研究開發(fā)了“BIM+健康監(jiān)測(cè)”一體化平臺(tái)。

（三）智能纜索系統(tǒng)監(jiān)測(cè)介紹

在纜索的制造過程中，將特制的光纖光柵應(yīng)變傳感器和光纖光柵溫度傳感器植入纜索，使纜索可對(duì)自身索力及溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，使纜索從單純承力的構(gòu)件上升成為具有自動(dòng)感知能力的智能纜索，無需增加外部檢測(cè)構(gòu)件即可實(shí)現(xiàn)纜索從出廠、運(yùn)輸、施工到運(yùn)營(yíng)階段的全過程索力監(jiān)測(cè)。智能纜索不僅滿足了大橋纜索的健康監(jiān)測(cè)要求，而且還提高了大橋的安全性，具有重要的社會(huì)意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

三、荷載試驗(yàn)期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析研究

為檢驗(yàn)西江特大橋的承載能力及其工作狀態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)要求，項(xiàng)目組開展了大橋荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括成橋線形測(cè)量、靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)。在荷載試驗(yàn)期間，西江特大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處于試運(yùn)行階段，部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可用于校核、驗(yàn)證荷載試驗(yàn)結(jié)果，以便更好地把握大橋的初始狀態(tài)。本文詳細(xì)分析了大橋主梁縱向水平位移在車輛靜力加載下的變化規(guī)律。

（一）荷載試驗(yàn)概況

荷載試驗(yàn)包括北邊跨跨中截面最大撓度和彎矩，中跨3L/4位置截面最大撓度和彎矩，北側(cè)塔梁交接處最大負(fù)彎矩，以及中跨跨中彎矩和撓度、北側(cè)塔根彎矩、南側(cè)錨跨索股張力4個(gè)工況，每個(gè)工況從第一天23時(shí)至第二天2時(shí)結(jié)束。

各工況分別采用16輛、28輛、44輛和56輛重約350kN的載重汽車進(jìn)行偏載和對(duì)稱加載。為節(jié)約車輛臺(tái)班、便于方案現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，各工況按4級(jí)加載和2級(jí)卸載，其中第一、二級(jí)加載為偏載工況（第二級(jí)加載為偏載的滿載），第四級(jí)加載為對(duì)稱滿載加載。第一級(jí)卸載后的加載狀態(tài)與第二級(jí)加載相同，第二級(jí)卸載對(duì)應(yīng)于零載狀態(tài)。

（二）主梁縱向位移

荷載試驗(yàn)單位由人工采用鋼直尺測(cè)量，而在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中該位移由清遠(yuǎn)側(cè)和云浮側(cè)梁端的4個(gè)拉繩式位移計(jì)記錄（清遠(yuǎn)側(cè)塔梁交叉處的位移計(jì)在荷載試驗(yàn)期間尚未安裝完成），位移和溫度測(cè)點(diǎn)分別編號(hào)。為方便比較，梁端水平位移數(shù)據(jù)以向云浮側(cè)運(yùn)動(dòng)為正。

通過試驗(yàn)可知，工況1、3、4的加載效應(yīng)非常明顯，而工況2的數(shù)據(jù)因設(shè)備故障未能獲得。不難發(fā)現(xiàn)，同一斷面上縱向位移計(jì)的數(shù)據(jù)變化規(guī)律非常相似，表明主梁斷面繞豎直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)可以忽略。

在荷載試驗(yàn)加載期間（即每日午夜時(shí)段），主梁兩端的伸縮位移呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系（同相位），而在白天非加載時(shí)段，梁端伸縮位移表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系（反相位）。因溫度日夜變化引起的主梁伸縮位移明顯大于由工況1引起的位移，這表明溫度變化對(duì)橋梁變形的影響顯著，有必要對(duì)數(shù)據(jù)做“溫度補(bǔ)償”。

通過對(duì)不同工況下車輛荷載引起的主梁縱向水平位移可知。工況3和工況4的車輛荷載較大，結(jié)構(gòu)響應(yīng)明顯。

不難發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)獨(dú)立測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了彼此的正確性。同時(shí)，在車輛加載時(shí)，工況1和工況3的位移為負(fù)，說明主梁向清遠(yuǎn)側(cè)移動(dòng)；而工況4的位移為正，說明主梁向云浮側(cè)移動(dòng)。主梁沿順橋向的運(yùn)動(dòng)方向與車輛荷載的重心與主梁重心的相對(duì)位置有關(guān)。

四、結(jié)語

項(xiàng)目組通過理論推導(dǎo)、有限元分析、短期（荷載試驗(yàn)）和長(zhǎng)期（結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等研究方法，延伸研究了西江特大橋在溫度作用下的變形規(guī)律，得出3個(gè)結(jié)論。

1.作為柔性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，懸索橋主梁可在車輛準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下產(chǎn)生順橋向平移，移動(dòng)方向可通過主梁和車輛系統(tǒng)重心位置的變化定性解釋。在運(yùn)營(yíng)階段，車輛荷載對(duì)主梁縱向位移的影響不大。

2.通過建立溫度與梁端縱向水平位移之間的數(shù)學(xué)模型，可識(shí)別測(cè)試數(shù)據(jù)中的異常。在測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確條件下，該方法同樣可用于識(shí)別結(jié)構(gòu)狀態(tài)的異常變化。建議補(bǔ)充西江特大橋主梁底板的溫度數(shù)據(jù)，以便得到更精確的溫度變形基準(zhǔn)模型。

3.與傳統(tǒng)測(cè)試技術(shù)相比，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能提供更為豐富的數(shù)據(jù)和信息，有助于揭示橋梁的實(shí)際受力和工作狀態(tài)。