烏梅河特大橋纜索施工智能監(jiān)測(cè)

徐 峰，劉金義，宋軍璽，高 磊

(1.中交四公局第二工程有限公司，北京 101149；2.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061)

1 引 言

隨著社會(huì)生產(chǎn)需求的提高，工程建筑在逐步向高度更高、跨度更大的方向發(fā)展。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)作為一種組合結(jié)構(gòu)，具有承載力高、施工方便、抗震性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，使用范圍越來(lái)越廣泛[1-4]。

針對(duì)鋼管混凝土拱橋的監(jiān)測(cè)研究多集中在管內(nèi)混凝土領(lǐng)域。蔡萍[4]利用力錘激勵(lì)鋼管外壁，利用外貼于鋼管外壁的壓電陶瓷片作為傳感器測(cè)試鋼管內(nèi)壁與核心混凝土的界面剝離現(xiàn)象。丁睿[6]提出光纖優(yōu)化組合，進(jìn)行了脫空-裂縫傳感試驗(yàn)和大比尺預(yù)應(yīng)變鋼管混凝土界面脫空仿真試驗(yàn)，建立了力-光本構(gòu)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)脫空發(fā)生發(fā)展的跟蹤檢測(cè)。檀永杰[7]分析了超聲波對(duì)測(cè)法在鋼管混凝土脫空區(qū)4種可能的超聲首波傳播路徑，并給出了4種傳播路徑的聲時(shí)理論計(jì)算公式，其結(jié)果達(dá)到定量檢測(cè)缺陷的目的。

針對(duì)纜索吊裝技術(shù)的研究多集中在理論計(jì)算與數(shù)值分析中。劉世明[8]以4片拱肋組成的鋼管混凝土拱橋王坡溝南橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎胢idas Civil空間有限元分析軟件，對(duì)其纜索吊裝施工過(guò)程進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，并對(duì)關(guān)鍵的施工工序進(jìn)行了優(yōu)化分析。李振國(guó)[9]建立了扣索索力的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)建立空間有限元模型，對(duì)落布溪大橋施工過(guò)程進(jìn)行分析，得到優(yōu)化的索力和相應(yīng)的變形值和應(yīng)力值。張建民[10]將最優(yōu)化計(jì)算理論引入到鋼管拱肋的吊裝計(jì)算中，采用一階分析法對(duì)鋼管拱肋合龍時(shí)扣索的索力逆分析問(wèn)題進(jìn)行了研究，得到各扣索索力的最佳調(diào)整。李金志[11]運(yùn)用midas Civil有限元分析軟件，建立玻璃溝大橋纜索吊裝體系模型，通過(guò)將力矩平衡法和有限元零位移法與優(yōu)化影響矩陣法進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算分析，求解出了各吊裝節(jié)段的索力大小,然而現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于纜索施工更具指導(dǎo)意義。

目前也有部分利用健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)鋼管混凝土拱橋纜索吊裝展開(kāi)研究。陳釩[12]采用由狀態(tài)監(jiān)測(cè)，損傷報(bào)警和性能評(píng)估及輔助決策子系統(tǒng)組成的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)，分析和評(píng)估結(jié)構(gòu)各類(lèi)狀態(tài)、大橋的交通荷載狀況對(duì)橋梁的靜、動(dòng)力效應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。楊勇[13]采用靜態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各傳感子系統(tǒng)的部分監(jiān)測(cè)結(jié)果表明東莞水道特大橋各監(jiān)測(cè)指標(biāo)處于正常的變化范圍。研究鋼管混凝土纜索施工需綜合考慮主承重索索力、錨碇變形、索塔傾斜與變位和扣索索力對(duì)施工環(huán)節(jié)的影響，本文通過(guò)采用智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方式對(duì)上述因素展開(kāi)測(cè)試研究。

2 工程概況

烏梅河特大橋主橋采用計(jì)算跨徑為300 m的上承式鋼管混凝土變截面拱橋，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)為1.55，矢跨比為1∶5，矢高60 m。半幅主拱圈采用3榀空間桁架結(jié)構(gòu)，截面采用等寬度變高度，斷面高度從拱頂5 m變化到拱腳9 m(中到中)，半幅每榀拱肋橫向間距5 m，兩幅橋拱肋之間距離7 m。半幅橋拱肋之間設(shè)置橫梁，兩幅橋之間設(shè)置K字撐。上下弦拱肋均采用等截面鋼管，不同部位采用不同厚度。鋼管拱肋對(duì)接接頭采用內(nèi)法蘭盤(pán)栓接、管外焊接的形式進(jìn)行連接。管內(nèi)灌注C55自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土。

本項(xiàng)目大跨度拱橋的施工段落多，受力狀態(tài)和線型變化復(fù)雜，對(duì)于纜索系統(tǒng)(包括主索塔架)和扣索系統(tǒng)(包括扣索塔架)的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的要求高，在施工過(guò)程中必須進(jìn)行有效的施工監(jiān)測(cè)，保障施工安全，因此對(duì)烏梅河特大橋采用智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括主承重索索力測(cè)試系統(tǒng)、錨碇變形測(cè)試系統(tǒng)、索塔傾斜與變位測(cè)試系統(tǒng)、扣索索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、5G數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)和遠(yuǎn)程云平臺(tái)分析與預(yù)警系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

3 智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1 主承重索索力測(cè)試

主承重索索力監(jiān)測(cè)采用高精度位移計(jì)、動(dòng)態(tài)綜合采集模塊和無(wú)線傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)測(cè)試承重索1 m索長(zhǎng)范圍內(nèi)的長(zhǎng)度變化反推應(yīng)變量，進(jìn)而得到主承重索的索力變化量。在橋梁雙側(cè)分別布置4個(gè)位移傳感器，傳感器布置方案如圖2所示。

圖2 傳感器布置示意圖

3.2 錨碇變形測(cè)試

在橋梁兩側(cè)錨碇橫向分別布置8個(gè)應(yīng)變計(jì)，監(jiān)測(cè)吊裝過(guò)程中錨碇的變形。采用綜合采集模塊采集并通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳入監(jiān)控平臺(tái)。

3.3 索塔傾斜和變位測(cè)試

采用我國(guó)北斗二代衛(wèi)星+美國(guó)GPS衛(wèi)星雙星雙系統(tǒng)進(jìn)行定位，保障和提高了整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的安全性和穩(wěn)定性。提供高質(zhì)量的雙星四頻GNSS 測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)獲得毫米級(jí)精度的位置數(shù)據(jù)。精度為水平：<±2.5 mm+1 ppm，垂直：<±5 mm+1 ppm。

本項(xiàng)目在基準(zhǔn)點(diǎn)架設(shè)北斗接收機(jī)，根據(jù)其高精度的已知的三維坐標(biāo)，經(jīng)過(guò)連續(xù)觀測(cè)從而得到吊裝過(guò)程中貴陽(yáng)和黃平側(cè)索塔(變形點(diǎn))坐標(biāo)的變化量。

3.4 扣背索索力監(jiān)測(cè)

索力監(jiān)測(cè)采用穿心式力傳感器(錨索計(jì))，量程分別為：0～3 000 kN、0～1 200 kN、0～200 kN，工作溫度為-40～90 ℃，精度：1%FS 0.5 ℃，定制合金鋼外形，內(nèi)置智能芯片(電子編號(hào)，顯示物理量等)，采用進(jìn)口高強(qiáng)度低松弛鋼絲，錨焊工藝，保證了本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)精度，測(cè)試與傳輸方案如圖3所示。

圖3 扣背索索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)圖

3.5 5G數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)

DTU是專(zhuān)門(mén)用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的無(wú)線終端設(shè)備。將DTU與所有采集設(shè)備相連即可將所有采集得的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)射至指定平臺(tái)，采用5G數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)。

3.6 遠(yuǎn)程云平臺(tái)分析與預(yù)警系統(tǒng)

通過(guò)遠(yuǎn)程云平臺(tái)分析與預(yù)警系統(tǒng)，將所有測(cè)點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果無(wú)線傳入云端，基于強(qiáng)大的中央控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)輸出所有測(cè)點(diǎn)傳感器變化量，對(duì)監(jiān)測(cè)施工及時(shí)預(yù)警，保障施工安全。遠(yuǎn)程云平臺(tái)分析與預(yù)警系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程云平臺(tái)分析與預(yù)警系統(tǒng)原理圖

遠(yuǎn)程云平臺(tái)分析與預(yù)警系統(tǒng)可使各參與施工的單位隨時(shí)隨地通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)顯示平臺(tái)、PC端平臺(tái)和移動(dòng)端平臺(tái)查閱相關(guān)數(shù)據(jù)。

4 測(cè)試結(jié)果

由于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)量龐大，因此本文選取首吊監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行介紹。

4.1 主承重索索力測(cè)試

主承重索索力在貴陽(yáng)側(cè)的測(cè)試結(jié)果如表1、圖5所示。

表1 索力測(cè)試結(jié)果

圖5 索力變化時(shí)程曲線圖

由于纜索卡扣和纜索存在微小滑移、纜索與索塔軌道間摩阻、兩根錨固纜索索力不同等原因，實(shí)測(cè)索力值相較理論值較小，貴陽(yáng)側(cè)W2號(hào)實(shí)測(cè)索力值偏高，后續(xù)還需進(jìn)行追蹤監(jiān)測(cè)。此外，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，所有實(shí)測(cè)索力均遠(yuǎn)小于極限索力，纜索的安全系數(shù)較高。由圖6可知，吊裝期間索力變化較大，分析其原因是由溫度變化引起的，最大索力值為極限值的8.05%。

4.2 錨碇變形監(jiān)測(cè)

錨碇變形測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6，吊裝過(guò)程中錨碇應(yīng)變較小，最大應(yīng)變?yōu)?0 μs，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)較小。

圖6 貴陽(yáng)側(cè)應(yīng)變曲線

4.3 索塔傾斜和變位監(jiān)測(cè)

首吊(吊重1 400 kN)時(shí)貴陽(yáng)側(cè)縱橋向最大變化量39.05 mm，索塔傾斜和變位控制較好。結(jié)果如圖7所示。

圖7 索塔變位時(shí)程曲線圖

4.4 扣索索力監(jiān)測(cè)

扣索采用直徑為15.2 mm普通鋼絞線，極限強(qiáng)度為1 860 MPa。鋼絞線截面積取140 mm2，單根破壞最大承載力為260 kN。以前8段為例，列出各索力匯總表如表2所示。

表2 貴陽(yáng)側(cè)上游索力匯總

5 結(jié) 論

針對(duì)我國(guó)鋼管拱橋施工期的健康檢測(cè)問(wèn)題，依托烏梅河特大橋，通過(guò)主承重索索力測(cè)試系統(tǒng)、錨碇變形測(cè)試系統(tǒng)、索塔傾斜與變位測(cè)試系統(tǒng)、扣索索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、5G數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)和遠(yuǎn)程云平臺(tái)分析與預(yù)警系統(tǒng)組成智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。及時(shí)告之橋梁管理工作者目前橋梁的健康、安全狀況，便于決定下步施工計(jì)劃是否需要調(diào)整。根本目的是盡量減少人為主觀因素評(píng)判橋梁的健康狀況，達(dá)到客觀、科學(xué)評(píng)判橋梁的目的，有助于減少安全事故，進(jìn)一步提升橋梁養(yǎng)護(hù)、管理水平，積極的推動(dòng)橋梁智能化發(fā)展。