G75欽江大橋整體提升自動化監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用研究

關(guān)鍵詞：拱橋；整體提升；施工監(jiān)測；監(jiān)測系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：U446.2 文獻標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.001

文章編號：1673-4874（2025）03-0001-04

0 引言

隨著大型基礎(chǔ)設(shè)施的復(fù)雜性與智能化水平的提高，橋梁施工中的結(jié)構(gòu)監(jiān)測與控制技術(shù)日益成為保證工程安全與精確施工的關(guān)鍵因素[1-2]。本文以 G75 欽江大橋為例，開發(fā)并實施了一種拱肋整體提升的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[3]，結(jié)合多種監(jiān)測模塊，開創(chuàng)了大跨度拱橋提升的新模式。

隨著橋梁跨徑的逐步增大，施工過程中不可避免地會出現(xiàn)誤差，這些誤差隨跨徑增大而逐漸加劇。人為計算失誤、環(huán)境溫度變化、材料特性、濕度、測量誤差以及施工流程等[4-6]，都可能對施工結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，如果不對施工過程中的各項參數(shù)實施實時動態(tài)監(jiān)控和及時調(diào)整，可能會導(dǎo)致嚴(yán)重后果，這使得強化施工過程監(jiān)控的重要性愈加凸顯。傳統(tǒng)的監(jiān)測通常依賴于人工手持傳感器進行數(shù)據(jù)采集和記錄，這種方法不僅耗時費力、效率低下，還容易產(chǎn)生人為錯誤，難以準(zhǔn)確反映橋梁的實時狀態(tài)，同時也無法為施工人員提供有效的預(yù)警。目前，隨著監(jiān)測設(shè)備的不斷完善，信息傳輸技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)據(jù)分析方法的進步，拱橋提升過程的自動化監(jiān)測得到了實現(xiàn)，為施工提供了堅實的技術(shù)支持[7-8]。

本文以G75欽江大橋為例，介紹了一種整體提升自動化監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r動態(tài)采集和監(jiān)測拱肋的線形、應(yīng)力狀態(tài)、溫度以及風(fēng)速等數(shù)據(jù)，確保施工安全，不僅對提升大跨度拱橋施工技術(shù)水平具有重要意義，同時也為拱肋整體提升過程的施工決策以及施工效率的提高提供了有力支持。

工程概況

G75欽江大橋位于平陸運河航道 K112+700 處，在蘭海高速公路 G75 廣西欽州境 12101+945 處跨越欽江。新建橋梁為下承式鋼管混凝土系桿拱橋，主橋計算跨徑為318m，矢跨比為1/4.48，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.5 。新橋效果圖如圖1所示。該橋拱肋為鋼管混凝土桁架式結(jié)構(gòu)，單幅橋主拱橫橋向中心間距為 24.9m 左右幅主拱弦管距離 單片拱肋采用變高度四管桁式截面，拱頂截面徑向高 5m ，拱腳截面徑向高7m，肋寬 2.6m ，分14個節(jié)段加工制作及安裝，其中拱腳處的4個節(jié)段（兩岸各2個）采用支架施工，中間10個節(jié)段通過在橋底加工安裝為整體大節(jié)段后，兩端連接臨時水平系桿，通過豎向提升與拱腳節(jié)段進行合龍。大節(jié)段整體提升理論重量為1900t，提升高度為49. 1m ，為自前世界最大整體提升跨徑和噸位的鋼管混凝土拱橋。

2拱肋整體提升過程

2.1控制方案

為了確保拱肋結(jié)構(gòu)在提升過程中的穩(wěn)定性，需要通過張拉臨時水平索來維持結(jié)構(gòu)的受力平衡。臨時水平索不僅起到穩(wěn)定作用，還用于調(diào)整拱肋的線形，確保拱肋在提升過程中保持最佳的幾何形態(tài)，從而順利完成合龍過程。為了精確控制拱肋的線形變化和結(jié)構(gòu)應(yīng)力，本文提出了以拱肋無應(yīng)力長度和無應(yīng)力曲率為控制目標(biāo)，作為整體提升過程中監(jiān)測和調(diào)整的關(guān)鍵參數(shù)，從而推導(dǎo)出臨時水平索力的優(yōu)化控制方案。如圖2所示，通過計算，確定當(dāng)每束臨時水平索的拉力為3156KN時，能夠有效地將合龍口接頭的相對位移和相對轉(zhuǎn)角控制在接近零的范圍內(nèi)，基本達到了拱肋的無應(yīng)力合龍要求。這一控制方案的成功應(yīng)用，使得拱肋的合龍過程能夠在沒有顯著結(jié)構(gòu)變形的情況下順利進行，從而保證了橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和施工過程的精確性。

2.2 施工方案

為了確保整體提升過程的施工效率和提升的同步性，項自采用了LSD液壓同步提升技術(shù)，并結(jié)合整體提升自動化監(jiān)測系統(tǒng)，為施工過程提供精確控制和安全保障。

提升時，在鋼管拱肋兩側(cè)安裝提升門架，配置8臺LSD3500千斤頂、4臺液壓泵站和1套控制系統(tǒng)。在提升前，通過鋼絞線將千斤頂與中拱段連接，同時布置臨時水平系桿，以控制離架及成拱過程中可能出現(xiàn)的變形。在提升階段，地面指揮中心負(fù)責(zé)同步控制千斤頂?shù)捻斏^程，通過千斤頂夾持器與油缸、活塞及鋼絞線的相對運動，實現(xiàn)中拱段的穩(wěn)步提升。為確保中拱段順利脫離拼裝胎架，采用分級加載的方式調(diào)節(jié)水平索和垂直索的張力，以使拱肋的受力接近自然狀態(tài)。提升分為五個階段，分別對應(yīng)設(shè)計力值的 25%.40%.50%.75% 和 100% ，其中力值偏差需控制在 5% 以內(nèi)，拱腳位移偏差需 lt;1 cm。

3 監(jiān)測目標(biāo)和監(jiān)測對象

3.1總體監(jiān)測目標(biāo)

大橋的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計為下承式鋼管混凝土系桿拱橋，由于拱肋整體提升過程中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)復(fù)雜，尤其在拱肋整體提升階段，難以全面預(yù)測這些響應(yīng)的實際情況。傳統(tǒng)的設(shè)計分析往往依賴于理想化假設(shè)，這使得理論計算與實際施工條件之間可能存在較大偏差。因此，針對這一問題，項目引入了自動化監(jiān)測系統(tǒng)，通過實時跟蹤主拱圈施工過程中特別是在拱肋提升和合龍過程中的環(huán)境狀態(tài)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)，確保對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)狀態(tài)的及時掌控。

自動化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，顯著提高了數(shù)據(jù)采集的效率和連續(xù)性，并為施工過程中的安全預(yù)警和決策提供了可靠支持。通過這一系統(tǒng)，能夠在施工現(xiàn)場實時獲取拱肋提升階段的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)，為后續(xù)的施工控制提供精準(zhǔn)的依據(jù)，從而確保大橋的安全性和施工精度。

3.2 監(jiān)測對象

整體提升施工過程中，監(jiān)測的重點包括整體提升塔架和主拱圈兩個關(guān)鍵部分。由于塔架的高度較大且結(jié)構(gòu)柔性較強，尤其是在夏季季風(fēng)期，塔架受風(fēng)荷載的影響尤為顯著。為了確保施工安全，提升系統(tǒng)的最大作業(yè)設(shè)計風(fēng)速為6級風(fēng)，當(dāng)風(fēng)速超過預(yù)設(shè)限值時，提升工作停止，待風(fēng)速降低后恢復(fù)作業(yè)。與此同時，對塔架的偏位和應(yīng)力進行實時監(jiān)控，確保其不超過施工控制限值，從而降低施工過程的安全風(fēng)險。

主拱圈作為鋼管混凝土拱橋的主要受力結(jié)構(gòu)，在整體提升期間，必須密切監(jiān)測其結(jié)構(gòu)響應(yīng)。另外，提升段的長度與拱肋控制點坐標(biāo)都會與溫度有著密切的聯(lián)系，尤其在合龍前后，溫度的準(zhǔn)確控制直接影響著成拱質(zhì)量。為了確保施工精度，必須對溫度進行連續(xù)監(jiān)測，為施工控制指令提供溫度修正依據(jù)。

基于以上施工過程中的監(jiān)測需求，該項目開發(fā)并應(yīng)用了整體提升自動化監(jiān)測系統(tǒng)，對G75欽江大橋提升過程進行實時監(jiān)測，以保障拱肋整體提升過程的安全。該系統(tǒng)主要監(jiān)測以下內(nèi)容：

（1）環(huán)境作用監(jiān)測：包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等環(huán)境

因素。（2）結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測：包括塔架偏位、拱肋線形和拱肋

提升的同步性等。（3）結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測：包括塔架應(yīng)力和拱圈應(yīng)力等。

4整體提升自動化監(jiān)測系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

整體提升自動化監(jiān)測系統(tǒng)由智能控制模塊、監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)傳輸與分析模塊、反饋模塊以及客戶端組成（如圖3所示），旨在實現(xiàn)施工過程中的自動化監(jiān)測和精確控制。各模塊分別承擔(dān)不同的功能，通過協(xié)同工作確保拱肋整體提升施工的高效、安全與精確。

4.1.1智能控制模塊

智能控制模塊是系統(tǒng)的核心部分，主要負(fù)責(zé)執(zhí)行實時控制指令，確保施工過程中的提升操作按照設(shè)定參數(shù)順利進行。具體功能包括：

（1）控制提升速率：根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和施工要求，動態(tài)調(diào)整提升速率，以確保提升過程平穩(wěn)且符合設(shè)計要求。

（2）控制提升行程：精確控制提升過程中的行程限制，確保拱肋的提升高度和同步性滿足施工需求，避免因操作不當(dāng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形或偏移。

4.1.2 監(jiān)測模塊

監(jiān)測模塊負(fù)責(zé)實時收集和分析施工過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并為控制模塊提供反饋。該模塊可以細分為三個主要板塊：

（1）環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測：負(fù)責(zé)對施工現(xiàn)場的環(huán)境條件進行實時監(jiān)測，確保外部因素不影響施工安全與精度。主要是對風(fēng)速和風(fēng)向變化進行實時監(jiān)控，確保吊裝和提升作業(yè)在安全風(fēng)速范圍內(nèi)進行。

（2）溫度監(jiān)測：監(jiān)測施工過程中溫度變化，特別是在拱肋吊裝和合龍階段，溫度對結(jié)構(gòu)坐標(biāo)和材料性能的影

響非常顯著。

（3）結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測：聚焦于拱肋和塔架等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位的受力狀態(tài)，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。具體監(jiān)測內(nèi)容：監(jiān)控塔架在施工過程中的偏位，確保吊裝精度；實時監(jiān)測拱肋在吊裝過程中的應(yīng)力變化，確保應(yīng)力不超出設(shè)計允許值；監(jiān)測水平索力的變化，確保施工期間受力均勻且安全；監(jiān)測各提升點之間的同步性，包括提升力監(jiān)測和同步性監(jiān)測，避免在提升過程中出現(xiàn)不均勻受力影響結(jié)構(gòu)安全。

a.塔架偏位！ 優(yōu)化 a.風(fēng)向 iib.拱肋應(yīng)力 模型 b.風(fēng)速 iic.塔架應(yīng)力！a.提升力大?。?c.溫度 id.水平索力ib.提升同步性i 有限元 模型 環(huán)境狀態(tài) 結(jié)構(gòu)狀態(tài) 提升狀態(tài) 窗口 即時 顯示 預(yù)警 控制 參數(shù)優(yōu)化指令智制 測塊 數(shù)據(jù)傳輸塊 客戶端 4 反饋模塊

4.1.3數(shù)據(jù)傳輸與分析模塊

數(shù)據(jù)傳輸與分析模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)中各模塊數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理和分析：

（1）數(shù)據(jù)采集與傳輸：實時采集傳感器和監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，并通過高速通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至分析和控制平臺。

（2）數(shù)據(jù)分析與偏差計算：對接收到的數(shù)據(jù)進行處理與分析，計算實際狀態(tài)與控制指令狀態(tài)之間的偏差，為反饋模塊提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（3）異常預(yù)警功能：在數(shù)據(jù)分析過程中，系統(tǒng)會自動識別異常數(shù)據(jù)，并及時向反饋模塊發(fā)出預(yù)警，確保施工過程中快速響應(yīng)潛在風(fēng)險。

4.1.4反饋模塊

反饋模塊是實現(xiàn)監(jiān)測與控制閉環(huán)的關(guān)鍵部分，主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)運行偏差的修正：

（1）偏差反饋：將數(shù)據(jù)分析模塊計算出的實際狀態(tài)與指令狀態(tài)之間的偏差傳送至控制模塊，以便對提升過程中的偏差進行實時調(diào)整。

（2閉環(huán)控制：確保監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制指令的實時反饋和修正，形成反饋閉環(huán)，保障整個提升過程的穩(wěn)定性和精確性。

4.1.5客戶端

客戶端是施工人員和監(jiān)控系統(tǒng)交互的重要界面，其主要功能包括：

（1實時監(jiān)控與顯示：展示施工過程中的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、控制參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)，為施工人員提供可視化的監(jiān)控界面。

（2）即時預(yù)警：當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到異常情況時，客戶端能及時收到預(yù)警信息，提醒施工人員采取相應(yīng)的控制措施。

（3）數(shù)據(jù)記錄與存儲：客戶端具備數(shù)據(jù)存儲功能，記錄施工過程中所有監(jiān)測數(shù)據(jù)和操作記錄，為后續(xù)分析提供數(shù)據(jù)支持。

4.2 監(jiān)測內(nèi)容

4.2.1提升過程位移監(jiān)測

采用了高精度測量機器人（如圖4所示），用于實時跟蹤和測量拱肋的提升同步性和線形變化。該測量機器人能夠精確監(jiān)測每個提升點的位置變化，確保各點在提升過程中的同步性，避免因提升不均導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形。通過自動化跟蹤，實時記錄拱肋的線形變化，并將實際測量值與設(shè)計線形進行對比，及時發(fā)現(xiàn)偏差。這為施工過程中的精確控制提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，確保了提升作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性。

4.2.2 風(fēng)速監(jiān)測

通過實時獲取風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，為風(fēng)荷載的計算和塔架結(jié)構(gòu)安全提供基礎(chǔ)信息。此外，為分析風(fēng)速沿塔高的變化情況，在塔架的不同高度設(shè)置三套風(fēng)速風(fēng)向傳感器，用于監(jiān)測吊裝施工期間不同高度的風(fēng)速和風(fēng)向，輔助修正塔架結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載參數(shù)取值。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)導(dǎo)線傳輸至采集設(shè)備，再通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)進行進一步分析。

4.2.3鋼管應(yīng)力與溫度監(jiān)測

為確保拱肋在提升過程中的結(jié)構(gòu)安全，項目對其應(yīng)力和表面溫度進行了全程實時監(jiān)測。監(jiān)測涵蓋拱腳、L /4及拱頂?shù)榷鄠€關(guān)鍵截面，每個監(jiān)測截面設(shè)置4個測點，以確保能夠準(zhǔn)確反映鋼管受力和溫度變化的情況。監(jiān)測使用的設(shè)備為振弦式表面應(yīng)變計，同時監(jiān)測鋼管的應(yīng)力與溫度變化。這些數(shù)據(jù)通過布置在各監(jiān)測截面附近的數(shù)據(jù)采集儀進行自動采集，并實時傳輸至數(shù)據(jù)中心進行分析處理。

4.3自動化監(jiān)測系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，團隊開發(fā)了拱肋整體提升自動化監(jiān)測系統(tǒng)，涵蓋了前文提到的五大模塊，顯著提升了橋梁施工過程中的監(jiān)控能力，監(jiān)測平臺界面如圖5所示。該系統(tǒng)共計接入了5類12種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，完成了97個測點的實時數(shù)據(jù)采集，涵蓋了拱肋線形、塔架偏位、臨時水平索力、拱肋應(yīng)力等關(guān)鍵指標(biāo)，并監(jiān)測了提升進度與高度、千斤頂提升張力和行程等重要數(shù)據(jù)，全面實現(xiàn)了對拱肋提升的全過程監(jiān)控。系統(tǒng)具備三個核心監(jiān)測大屏功能，能夠?qū)ι鲜鲫P(guān)鍵指標(biāo)進行實時可視化展示，幫助現(xiàn)場技術(shù)人員快速理解數(shù)據(jù)變化，為決策提供了有力支持。

該自動化監(jiān)測系統(tǒng)具有較強的可擴展性，支持

HTTP、WebSocket、TCP、UDP和MQTT等主流物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，提供多種設(shè)備接入方式和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力。同時，系統(tǒng)能夠與項目管理系統(tǒng)、BIM系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)等第三方平臺無縫集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和協(xié)同工作，進一步提高施工管理的智能化水平。拱肋整體提升自動化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅為拱肋提升過程的安全性和可靠性提供了有力保障，也為未來橋梁的智慧化運營與維護打下了堅實基礎(chǔ)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

5結(jié)語

G75欽江大橋項目基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)了拱肋整體提升自動化監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測內(nèi)容涵蓋了拱肋線形、應(yīng)力、溫度、風(fēng)速和提升狀態(tài)等關(guān)鍵指標(biāo)。監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，顯著提升了施工監(jiān)測效率，增強了數(shù)據(jù)的連續(xù)性和實時性，確保了施工的安全性和精確性，為施工控制決策提供了重要參考，同時也為大橋后續(xù)的智能化運營與維護奠定了基礎(chǔ)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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