“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下大跨PC連續(xù)梁橋施工監(jiān)控技術(shù)

摘 "要：在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，利用無線通信、云計算等技術(shù)，成功搭建某高速鐵路西南下行聯(lián)絡(luò)線特大橋的施工監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)橋梁施工監(jiān)控信息的全過程采集、處理和反饋。利用控制理論對傳感器量測信息進行處理，可以對施工誤差進行評估，并設(shè)定控制目標和調(diào)整策略。這些信息將被反饋給施工單位，以指導(dǎo)下一階段的施工，從而實現(xiàn)橋梁施工監(jiān)控的目標。同時，通過對橋梁施工信息的協(xié)同共享，可以全面了解橋梁構(gòu)件的工作狀態(tài)，從而提高施工質(zhì)量控制決策的科學性和效率。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)+；大跨PC連續(xù)梁橋；施工監(jiān)控技術(shù)；無線通信；云計算

中圖分類號：TP301 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2025）10-0158-04

Abstract： In the context of \"Internet Plus\"， we used wireless communication， cloud computing and other technologies to successfully build a construction monitoring system for a special bridge on the southwest downlink link line of a high-speed railway， realizing the entire process of collection， processing and feedback of bridge construction monitoring information. Using control theory to process sensor measurement information， construction errors can be evaluated， and control goals and adjustment strategies can be set. This information will be fed back to the construction unit to guide the next stage of construction to achieve the goal of bridge construction monitoring. At the same time， through collaborative sharing of bridge construction information， we can comprehensively understand the working status of bridge components， thereby improving the scientificity and efficiency of construction quality control decisions.

Keywords： Internet Plus; long-span PC continuous beam bridge; construction monitoring technology; wireless communication; cloud computing

采用懸臂現(xiàn)澆施工的大跨PC連續(xù)梁橋，由于施工階段多、工序復(fù)雜和許多確定與不確定因素的影響，可能造成施工中橋梁各階段的內(nèi)力和位移隨著梁段施工變化而偏離設(shè)計值，甚至超過設(shè)計上限值。如果不通過施工監(jiān)控及時、有效地發(fā)現(xiàn)問題并調(diào)整施工方案，就可能造成施工風險與合龍困難。隨著技術(shù)發(fā)展，在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，通過安裝智能數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備，結(jié)合傳感器、通信技術(shù)和計算機技術(shù)，實現(xiàn)大跨徑橋梁施工實時監(jiān)控和控制，提高施工質(zhì)量、效率和安全。針對現(xiàn)階段橋梁施工監(jiān)控存在的問題，利用信息技術(shù)，提出基于云技術(shù)的連續(xù)梁橋施工監(jiān)控工作新思路和方法，介紹其工作模式、特點、質(zhì)量控制及應(yīng)用實例，對提高橋梁建設(shè)質(zhì)量和效率具有重要意義。

1 "橋梁施工監(jiān)控系統(tǒng)的組成

1.1 "橋梁施工監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)由硬件和軟件2部分組成。硬件負責數(shù)據(jù)采集和傳輸，軟件負責數(shù)據(jù)存儲、計算和展示。軟件采用分布式架構(gòu)，結(jié)合云計算和Web技術(shù)，構(gòu)建了實時數(shù)據(jù)三維場景展示平臺。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動橋梁和掛籃模型運動，實現(xiàn)全方位查看傳感器數(shù)據(jù)，直觀展示橋梁狀態(tài)。系統(tǒng)可實時分析主梁受力和變形情況，對橋梁施工狀態(tài)進行監(jiān)控和評估，異常時發(fā)出預(yù)警，降低施工風險，提高決策科學性。

1.2 "傳感器的布置及安裝

本橋采用掛籃懸臂施工法，先邊跨后中跨合龍。施工監(jiān)控內(nèi)容包括主梁頂板、腹板、底板應(yīng)力實時監(jiān)測，主梁變形控制。0號塊下方支架立柱也各布置1個傳感器，共計32個，溫度傳感器11個。傳感器的靈敏度和精度非常高，線性和穩(wěn)定性也很好；具有很強的抗干擾能力，長距離傳輸也不會失真，全數(shù)字信號檢測。溫度型傳感器能夠通過內(nèi)置的元件實時獲取測點的溫度，進行分析計算時可以對應(yīng)變值進行溫度修正。

1.3 "施工監(jiān)控數(shù)據(jù)采集與傳輸

為提高監(jiān)控數(shù)據(jù)的真實性和可靠性，應(yīng)減少誤差因素。本系統(tǒng)配備高精度智能傳感器和數(shù)據(jù)預(yù)處理設(shè)備，能夠全天候?qū)崟r自動采集，有效避免了人工采集可能出現(xiàn)的錯誤，同時也解決了實時采集的難題。數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射設(shè)備傳輸?shù)皆贫?，進行處理和存儲。在傳輸方面，采用LoRa節(jié)點和智能云盒等設(shè)備，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸和存儲，有效避免了對人工的依賴和數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)的錯誤，從而確保了數(shù)據(jù)的完整性和實時性。

2 "橋梁施工智能監(jiān)控系統(tǒng)的運行

2.1 "施工監(jiān)控系統(tǒng)的計算與數(shù)據(jù)存儲

監(jiān)控系統(tǒng)采用高頻率傳感器采集數(shù)據(jù)，每天云端需要處理大量通過無線設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)。布置在梁內(nèi)的每個傳感器由于位置和理論值都不相同，所以對每個傳感器的數(shù)據(jù)都需要特定處理，每個傳感器的理論值、閾值、位置和工作狀態(tài)等信息都會通過字段實時描述其狀態(tài)。對同一區(qū)域的傳感器數(shù)據(jù)將進行深度的對比分析，實時處理。展示平臺會及時將所有傳輸?shù)皆贫私?jīng)過算法計算的數(shù)據(jù)進行可視化處理。服務(wù)器上部署了預(yù)警系統(tǒng)，當橋梁桿件受力異常時，傳感器數(shù)據(jù)將會超出閾值，系統(tǒng)自動將該數(shù)據(jù)的詳細信息以報警短信的方式發(fā)送給指定聯(lián)系人，從而實現(xiàn)了橋梁施工中各個階段橋梁狀態(tài)能全天候不間斷地預(yù)警。

2.2 "橋梁施工監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)展示

制作橋梁三維模型，建立虛擬地形，導(dǎo)入橋梁模型和傳感器模型，搭建三維虛擬施工場景。用戶可以查看橋梁和傳感器的實時數(shù)據(jù)，進行模型操作和定位到需要的施工信息。模型數(shù)據(jù)實時性產(chǎn)生動態(tài)效果。根據(jù)需要，檢查橋梁在各個施工時間段的狀態(tài)。

3 "橋梁施工監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

在某高鐵北下行聯(lián)絡(luò)線特大橋的施工過程中，本系統(tǒng)得到了成功的應(yīng)用。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，在橋梁的關(guān)鍵性桿件和重要臨時結(jié)構(gòu)上提前安裝了智能傳感器，傳感器能夠?qū)蛄菏┕ぶ懈鞣N應(yīng)力、溫度、變形和傾角等關(guān)鍵信息進行全天候不間斷的采集，項目各個參建方將通過監(jiān)控系統(tǒng)收到這些信息，從而確保了施工的安全與質(zhì)量。

3.1 "工程概況

某高鐵北下行聯(lián)絡(luò)線特大橋采用（48+80+48） m預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)梁橋，全長177.5 m。連續(xù)梁為變截面直腹板單箱單室箱梁，中支點處梁高為6.6 m，邊支點處及跨中梁高3.8 m，全橋箱梁底板箱寬4.3 m，橋面板寬7.0 m，腹板厚度0.4～0.6 m，頂板厚度0.28～0.38 m，支點附近腹板、頂板、底板局部加厚。主梁施工除0＃段在墩旁支架上澆注外，其余采用掛籃懸臂澆注，0＃段長11 m，合攏段長2.0 m，其他梁段長均為3.0～3.5 m。施工掛籃及模板總重應(yīng)控制在800 kN之內(nèi)。

Ⅰ級鐵路，有碴軌道，環(huán)境類別為碳化環(huán)境，作用等級為T2級；七度設(shè)防烈度，地震動峰值加速度為0.15 g，動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

3.2 "有限元模型的建立

采用專業(yè)的橋梁有限元分析軟件——橋梁博士，建立本橋的有限元模型。模型離散化后，全橋共被劃分為70個單元，節(jié)點數(shù)總共71個。

支座類型數(shù)2個，所有支座豎向位移全約束，主墩水平及豎向采用剛性約束。本橋主體結(jié)構(gòu)采用C50混凝土，彈性模量3.55×104 MPa，熱膨脹系數(shù)0.000 01，容重26.0 kN/m3。采用TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》計算混凝土收縮、徐變效應(yīng)。為模擬施工過程，可將實際施工過程劃分為若干個階段，每一階段的荷載、結(jié)構(gòu)、約束等都可能不同。施工進程是用時間來表達的，即每個階段從第幾天到第幾天，各單元安裝順序也用時間表達，因此要與各階段的起始和終止時間相匹配。同時，軟件默認預(yù)應(yīng)力的傳力錨固時間為張拉階段的終止時間，收縮徐變損失和松弛損失都從這個時間開始計算，所以應(yīng)注意其與單元安裝時間、階段起始時間和終止時間的相對關(guān)系。建模時按照現(xiàn)場實際的施工進度對施工階段進行仿真模擬，對橋梁各施工階段及關(guān)鍵部位應(yīng)力狀態(tài)進行實時預(yù)報分析。有限元模型如圖1所示。

3.3 "大跨PC連續(xù)梁橋施工監(jiān)控

橋梁監(jiān)控的目的是確保橋梁建成后，橋梁的內(nèi)力和外形曲線與設(shè)計值能夠吻合。因此，在施工過程中每一個階段產(chǎn)生的各項影響橋梁內(nèi)力與變形的參數(shù)，都要結(jié)合各階段傳感器實測的變形數(shù)據(jù)與主梁應(yīng)力，實時分析它們與設(shè)計值的差異，尋找原因，及時提出修正意見。確保每個施工階段的受力和變形都處于受控狀態(tài)，使橋梁施工監(jiān)控起到真正的作用。

3.3.1 "高程控制方法

在連續(xù)梁橋懸臂施工中，橋梁能夠順利合攏的關(guān)鍵因素是線形控制。成橋線形要滿足設(shè)計要求，在施工中要設(shè)置預(yù)拱度，主要考慮后期徐變的影響。在施工中通過在立模標高中預(yù)留來實現(xiàn)，而不是直接識別和修正成橋預(yù)拱度。

在北下行聯(lián)絡(luò)線48 m+80 m+48 m連續(xù)梁橋的監(jiān)控中，對混凝土澆筑和預(yù)應(yīng)力筋張拉后的高程進行了測量，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況修正各個影響參數(shù)，預(yù)計出下一塊的放樣高程，以指導(dǎo)施工。

1）高程控制誤差分析。在高程控制過程中，需在頂板、底板分別布置左中右3個固定測量點來控制梁體標高。利用實測數(shù)據(jù)分析各個施工階段全橋?qū)崪y標高和理論標高的誤差，發(fā)現(xiàn)39號墩最大在B1梁段（0.018 m）；40號墩最大也在B1梁段（0.019 m）。全橋最大懸臂階段理論標高和實測標高誤差對比分析如圖2所示。

圖2 "全橋最大懸臂階段高程誤差分析對比圖

2）高程控制結(jié)論。因本橋測點較多，數(shù)據(jù)也較多，以上只給出了各施工階段底板的相關(guān)高程數(shù)據(jù)及圖表，其他測點高程絕大多數(shù)小于規(guī)范要求，根據(jù)實測數(shù)據(jù)圖表可以得出以下結(jié)論：①通過理論分析和現(xiàn)場荷載試驗，消除了掛籃的非彈性變形效應(yīng)，獲得了最大重量懸灌梁段的彈性變形，為預(yù)拱度設(shè)置提供了科學依據(jù)。②上部結(jié)構(gòu)混凝土澆筑良好，梁體高程和控制截面應(yīng)力符合設(shè)計和規(guī)范要求。

3.3.2 "應(yīng)力測量

在大跨變截面連續(xù)箱形梁橋施工過程中，利用鋼弦式傳感器測定主梁的應(yīng)力狀況，應(yīng)力測量值和其他傳感器測量值結(jié)合，全面判斷各個階段橋梁的內(nèi)力狀態(tài)，形成全方位、全天候預(yù)警機制，完全實施施工控制。

1）應(yīng)力測試方法。本橋采用鋼弦式傳感器進行應(yīng)力測試，原因是其穩(wěn)定性好，彈性模量小，與被測結(jié)構(gòu)物隨動性好，不干擾原應(yīng)力場，有應(yīng)變累計功能，抗干擾能力強，數(shù)據(jù)采集方便，但體積大，易在施工時損壞。

2）測點布置。由于施工過程的無法重復(fù)性，對傳感器性能的可靠性要求極高。因此，采用快速、準確、簡單的絕對應(yīng)力法（即測試其結(jié)構(gòu)的永久積累應(yīng)力）。全橋采用智能應(yīng)力傳感器，布置斷面如圖3所示，每個斷面上傳感器的布置如圖4所示。實心圓表示智能溫控應(yīng)力傳感器，不僅測應(yīng)力，還可以測溫度。這種振弦式應(yīng)力傳感器不但可測出絕對應(yīng)力，還可測應(yīng)力增量。

3）應(yīng)力控制結(jié)論。通過對符合現(xiàn)場實際情況的有限元仿真模型分析，可以根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)預(yù)報分析和控制橋梁各個施工階段及關(guān)鍵部位的受力狀態(tài)。利用監(jiān)測數(shù)據(jù)和理論計算結(jié)合，實時調(diào)整仿真分析的參數(shù)，實現(xiàn)了利用有限元仿真模型對各個施工階段橋梁受力狀態(tài)的實時預(yù)報。有限元模型建立要考慮現(xiàn)場的真實情況，才能根據(jù)有限元模型科學地預(yù)報橋梁施工每個階段梁體的變形與受力，為下階段立模標高設(shè)置與調(diào)整提供依據(jù)，為橋梁的安全施工提供有效技術(shù)保障。

3.3.3 "溫度測量與控制

大跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁橋的施工過程中，環(huán)境溫度的變化，不僅直接影響到結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力分布和變形，還會影響施工中構(gòu)件的主梁標高測量結(jié)果及架設(shè)精度。因此，在測量數(shù)據(jù)分析中要考慮溫度的影響導(dǎo)致的修正量。

在橋梁的橫截面，共預(yù)埋了11個高靈敏度溫度傳感器，通過這些傳感器，可以測出每一個施工階段各關(guān)鍵部位的溫度，各個施工階段控制截面的溫度值見表1，具體預(yù)埋位置如圖4所示。

圖5、圖6詳細記錄了整個施工階段中2個主要截面頂板及底板的溫度變化。

通過在梁體關(guān)鍵部位埋設(shè)高靈敏度溫度傳感器，根據(jù)實測數(shù)據(jù)，掌握了環(huán)境溫度改變對梁體高程的影響規(guī)律，在有限元仿真模型進行分析預(yù)報時，要考慮溫度的影響。提出夜間澆筑混凝土、低溫合龍等合理化建議，保證了橋梁的高精度合龍，使溫度次內(nèi)力對本橋施工的影響降到了最低。

4 "結(jié)束語

互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中各行各業(yè)發(fā)展的新引擎。傳統(tǒng)的橋梁施工監(jiān)控數(shù)據(jù)采集和錄入方式存在效率低、實時分析效果差等問題。為了解決這些問題，在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，利用無線通信、云計算等技術(shù)與橋梁施工監(jiān)控的深度融合，構(gòu)建了橋梁施工監(jiān)控平臺。這個平臺可以實現(xiàn)橋梁施工全過程數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸、存儲、分析與管理，從而提高數(shù)據(jù)的實時性和準確性，推動橋梁施工管理的科學化和智能化。此外，這個平臺還可以為橋梁施工監(jiān)控、健康監(jiān)測和管理等研究提供數(shù)據(jù)支持，具有較大的工程意義。

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