大跨度斜拉橋中跨合龍施工智能監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)研究

摘 要：該文通過監(jiān)控方法和計(jì)算理論2個(gè)方面對大跨度斜拉橋中跨合龍技術(shù)進(jìn)行研究。在監(jiān)控方法方面，利用多數(shù)據(jù)融合理論形成實(shí)時(shí)監(jiān)控的智能化監(jiān)控系統(tǒng)，對中跨合龍的傳感器類型及布置進(jìn)行研究，提出一種常用的布置方法。在計(jì)算理論方面，將合龍調(diào)平過程公式化，使決策過程減少人為判斷；對合龍段配切長度的計(jì)算過程數(shù)學(xué)化，簡化計(jì)算過程。最后通過某跨海大橋工程實(shí)例，驗(yàn)證該方法的可行性。結(jié)果表明，該方法現(xiàn)場可實(shí)施性高，誤差滿足工程實(shí)際要求，提高中跨合龍的施工效率。

關(guān)鍵詞：斜拉橋；中跨合龍；智能監(jiān)控系統(tǒng)；合龍段；監(jiān)控算法

中圖分類號：U448.27 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0048-04

Abstract： In this paper， the mid-span closure technology of long-span cable-stayed bridge is studied from two aspects： monitoring method and calculation theory. In terms of monitoring methods， an intelligent monitoring system for real-time monitoring is formed by using multi-data fusion theory. The sensor type and arrangement of mid-span closure are studied， and a common arrangement method is proposed. In the aspect of calculation theory， the leveling process of closure is formulated， which reduces the artificial judgment in the decision-making process， and the calculation process of matching and cutting length of closure section is mathematically simplified. Finally， the feasibility of the method is verified by an engineering example of a sea-crossing bridge. The results show that the method has high field implementability， the error meets the practical requirements of the project， and the construction efficiency of mid-span closure is improved.

Keywords： cable-stayed bridge; mid-span closure; intelligent monitoring system; closure section; monitoring algorithm

斜拉橋中跨合龍是指斜拉橋結(jié)構(gòu)中間跨的合龍過程。斜拉橋是一種特殊的橋梁結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是通過斜拉索將橋梁的主梁與橋塔相連，形成一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。在斜拉橋多跨設(shè)計(jì)時(shí)，會將橋梁分成多個(gè)跨度，中跨即為其中的中間跨度。當(dāng)斜拉橋的主梁和橋塔完成建設(shè)后，中跨合龍即是將中跨的部分與兩側(cè)的跨度相連接，使整座橋梁形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)。這個(gè)過程通常會通過吊裝、拼裝等方式進(jìn)行，確保中跨與兩側(cè)跨度的連接牢固穩(wěn)定。斜拉橋中跨合龍是整個(gè)斜拉橋建設(shè)過程中的重要環(huán)節(jié)，需要精確的測量、設(shè)計(jì)、施工，以確保橋梁的結(jié)構(gòu)安全和功能完善。斜拉橋作為一種現(xiàn)代化的橋梁結(jié)構(gòu)，具有較大的跨度和美觀的外形，中跨合龍的完成標(biāo)志著整座斜拉橋工程的順利進(jìn)行。

中跨合龍是斜拉橋施工過程中最重要的環(huán)節(jié)之一[1-2]，對于斜拉橋中跨合龍的研究可分為計(jì)算理論和監(jiān)控方法2部分。國內(nèi)外學(xué)者首先對計(jì)算理論進(jìn)行了深入的研究，形成了參數(shù)敏感性分析、標(biāo)高預(yù)測、索力預(yù)測等理論，其中參數(shù)敏感性分析基于理論模型，對施工控制很有指導(dǎo)意義，故而應(yīng)用范圍最廣。在研究監(jiān)控方法方面，Chang等[3]著力于搭建自動化監(jiān)控平臺，并指出監(jiān)控儀器、信號處理、數(shù)據(jù)處理是構(gòu)建監(jiān)控平臺最核心的組成部分。

對于中跨合龍的計(jì)算理論，當(dāng)前的參數(shù)敏感性分析后仍然是以人的決策為主[4]，并未對后續(xù)的決策形成數(shù)學(xué)判斷以輔助決策，對施工控制的工程師有一定的經(jīng)驗(yàn)要求；對于監(jiān)控方法，應(yīng)用于大跨度斜拉橋中跨合龍的施工控制較少，形成中跨合龍輔助決策機(jī)制的更少。

本文通過選擇合適的傳感儀器及應(yīng)用多傳感器數(shù)據(jù)融合理論[4]，形成智能監(jiān)控系統(tǒng)對大跨度斜拉橋中跨合龍施工過程進(jìn)行監(jiān)控，并將中跨合龍決策形成數(shù)學(xué)模型融入該系統(tǒng)，可為解決此類斜拉橋施工監(jiān)控自動化問題提供參考。

1 智能監(jiān)控系統(tǒng)組成與無應(yīng)力狀態(tài)控制法

1.1 智能監(jiān)控系統(tǒng)組成

監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由3部分組成：①現(xiàn)場監(jiān)控單元，即安裝于現(xiàn)場的各類傳感器；②信息接收與解調(diào)單元，安裝于變電箱內(nèi)；③監(jiān)控中心，安裝具有數(shù)據(jù)處理功能的監(jiān)控軟件客戶端。

對于中跨合龍，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)安裝后，由布置好索力、溫度、撓度和傾角等傳感器及激光測距儀獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。上述傳感器數(shù)據(jù)同時(shí)存儲于數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器，并通過信號處理后發(fā)送給客戶端。在客戶端利用多數(shù)據(jù)融合理論算法，對各測點(diǎn)多類型傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過本文建立的中跨合龍輔助決策的數(shù)學(xué)模型，動態(tài)監(jiān)控施工過程，實(shí)現(xiàn)中跨合龍。

1.2 無應(yīng)力狀態(tài)控制法

分階段施工的橋梁結(jié)構(gòu)最終狀態(tài)的內(nèi)力和位移，主要由3個(gè)條件決定：①外荷載作用的位置和大小；②橋梁組成結(jié)構(gòu)構(gòu)成單元的幾何尺寸、位置、剛度；③邊界條件構(gòu)建單元無應(yīng)力狀態(tài)下的幾何長度和曲率。對于分階段施工的橋梁結(jié)構(gòu)，最終狀態(tài)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移主要受幾何長度和曲率的影響。所以，無應(yīng)力狀態(tài)控制的基礎(chǔ)是一定的外荷載、結(jié)構(gòu)體系、支承邊界條件及單元的無應(yīng)力長度和無應(yīng)力曲率組成的結(jié)構(gòu)。

在無應(yīng)力狀態(tài)控制法當(dāng)中，橋梁結(jié)構(gòu)單元的內(nèi)力是隨著結(jié)構(gòu)的加載不斷變化的，同時(shí)受到體系轉(zhuǎn)化和斜拉索張拉變化的影響。如果斜拉橋的荷載和結(jié)構(gòu)體系相對固定，無應(yīng)力長度的變化應(yīng)該與單元軸力的變化保持一致。在斜拉橋分段施工中應(yīng)用無應(yīng)力狀態(tài)控制法，必須以上述基本原理為基礎(chǔ)。

2 中跨合龍監(jiān)控算法

在施工監(jiān)控正常進(jìn)展的情況下，即將合龍的兩端梁段標(biāo)高應(yīng)比較接近。此時(shí)可用影響矩陣法來優(yōu)化中跨合龍調(diào)整的索力值

式中：？駐F為索力變化量F作用下的豎向位移；？駐M為壓重M作用下的豎向位移。在施工現(xiàn)場，壓重一般是確定的，通過調(diào)整索力來改變合龍口豎向位移即標(biāo)高。而對于索力引起標(biāo)高改變項(xiàng)可展開為

3 工程實(shí)例

3.1 項(xiàng)目簡介

背景橋跨徑布置（70+130+400+130+70） m，主橋全長800 m，為雙塔雙索面鋼-混結(jié)合梁半漂浮體系斜拉橋。

主塔采用帶曲線造型的H型分離式混凝土索塔，塔底以上索塔高160.254 m。主梁為混凝土橋面板和槽形鋼梁的單箱三室結(jié)合梁，梁高4.25 m，含風(fēng)嘴全寬21 m。鋼梁中跨合龍段長10 m，塔區(qū)梁段長12 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長10.5 m，全橋共77個(gè)節(jié)段。

1）合龍方法。目前鋼箱梁斜拉橋中跨合龍通常采用頂推配切合龍和溫度配切合龍2種方式，前者受溫度的影響較小，后者受溫度的影響較大。主橋采用頂推配切合龍方法。

2）合龍口壓重。無應(yīng)力狀態(tài)法理論表明，只要保證合龍口的無應(yīng)力長度和桿件無應(yīng)力曲率，則成橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)和線形狀態(tài)達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)，而與合龍時(shí)采用的施工方法手段無關(guān)，故若現(xiàn)場無壓重條件，可以不進(jìn)行壓重。中跨合龍流程如圖2所示。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)布置

對于智能監(jiān)控系統(tǒng)，信息接收與解調(diào)單元和監(jiān)控中心的現(xiàn)場安裝布置相對簡單。信息接收單元、解調(diào)單元及現(xiàn)場單元可通過數(shù)據(jù)傳輸線連接，其位置可選擇安全可靠的固定位置；監(jiān)控中心和信息接收與解調(diào)單元之間通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，其安裝位置因監(jiān)控計(jì)算人員需要而定。

對于現(xiàn)場監(jiān)控單元，其布置與施工工況息息相關(guān)。中跨合龍時(shí)，自動化索力監(jiān)測布置如圖3所示，即布置在兩塔側(cè)中跨側(cè)M14～M18共10對索上。激光測距儀、溫度傳感器及傾角儀均布置在兩塔側(cè)中跨側(cè)MG18前端（與合龍段連接處），激光測距儀和溫度傳感器每個(gè)塔側(cè)各8個(gè)，傾角儀每個(gè)塔側(cè)各2個(gè)，布置位置如圖4所示。

智能監(jiān)控系統(tǒng)通過多數(shù)據(jù)融合算法，將上述各類型數(shù)據(jù)整合后，形成可實(shí)時(shí)監(jiān)控施工現(xiàn)場的監(jiān)控平臺。

3.3 中跨合龍監(jiān)控

考慮到該橋橋面較窄，寬僅有17 m，而若用壓重，需壓重240 t，橋面合龍口前端橋面吊機(jī)占位后，已沒有足夠壓重空間布置。故在本項(xiàng)目用索力調(diào)整合龍口，并未使用壓重。故在合龍口觀測前調(diào)整索力程序輸入時(shí)，令式（1）、（3）中P=0、R=0，？漬=0.01。理論分析結(jié)果和實(shí)際控制結(jié)果見表1。

從表1的計(jì)算結(jié)果可知，利用本文算法調(diào)整標(biāo)高的理論索力值與實(shí)測索力值最小誤差為0.1%，最大誤差為1.4%，上下游實(shí)測索力誤差最小值為0.13%，最大值為0.93%，誤差很小，滿足工程實(shí)際要求。

在合龍段配切時(shí)，各邊線長度略有不同，實(shí)際配切應(yīng)以合龍段中線所在平面為基準(zhǔn)面，按照各邊線需配切長度，確定左右兩側(cè)各邊線點(diǎn)位置后進(jìn)行配切。

4 結(jié)論

本文利用智能化監(jiān)控系統(tǒng)平臺，并提出大跨度斜拉橋中跨合龍過程中標(biāo)高調(diào)整算法及合龍段精細(xì)配切公式，2類公式參數(shù)化后可寫入智能監(jiān)控系統(tǒng)平臺中，以進(jìn)行中跨合龍全過程的自動化監(jiān)控。該套系統(tǒng)應(yīng)用于新建跨海大橋的中跨合龍監(jiān)控。在合龍口調(diào)平的過程中，理論索力調(diào)整量和實(shí)際索力調(diào)整量誤差在5%以內(nèi)，上下游索力誤差在2%以內(nèi)，滿足工程實(shí)際要求。合龍段配切精度控制在毫米級，實(shí)現(xiàn)了毫米級的高精度合龍。為解決相關(guān)類似的大跨度斜拉橋中跨合龍?zhí)峁┝藚⒖挤桨浮?/p>

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第一作者簡介：張明哲（1993-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)榈缆窐蛩怼?/p>