楊傳國

（無錫市市政設(shè)施建設(shè)工程有限公司 江蘇無錫 214000）

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大范圍應(yīng)用，結(jié)合“智慧工地”的概念的推廣，信息化、可視化、智能化將是橋梁施工的發(fā)展方向［1］。橋梁智能化監(jiān)測是運(yùn)用現(xiàn)代的傳感與通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁施工階段在各種環(huán)境荷載條件下的安全狀況，獲取反映施工安全狀態(tài)和環(huán)境因素的各種信息，由此分析施工的安全狀態(tài)，評(píng)估臨時(shí)結(jié)構(gòu)的可靠性，為橋梁的安全施工提供科學(xué)依據(jù)［2］。

清江河大橋地處山谷區(qū)域，纜索吊為大橋勁性骨架、空心板梁及其他輔助結(jié)構(gòu)的主要吊裝設(shè)備?？紤]到山谷風(fēng)場獨(dú)特、施工階段纜索吊受力工況復(fù)雜、動(dòng)力系統(tǒng)較多、吊裝精度要求較高等因素，因此，除了要對(duì)索塔安裝過程及吊裝過程進(jìn)行詳細(xì)的施工階段計(jì)算外，對(duì)纜索吊系統(tǒng)進(jìn)行施工監(jiān)測和智能化控制是十分必要的。通過塔架和纜索吊智能化監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)測值與理論計(jì)算值對(duì)比分析，驗(yàn)證纜索吊系統(tǒng)施工滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，為同類型橋梁纜索吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)和智能化監(jiān)測方案提供參考依據(jù)［3］。

1 工程概況

清江河大橋是位于銀川至北海高速公路建始至恩施段的一座整體式橋梁，全長117.4m，主橋?yàn)樯铣惺戒摻罨炷料湫凸皹?，凈?0m，凈矢高15m，矢跨比1/6，拱上橋跨共11 孔，跨徑為13m+9×10m+13m，橋面寬（分離式）為12m+0.5m+12m。

清江河大橋纜索吊智能化監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)集結(jié)構(gòu)分析計(jì)算、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)等高新技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)工程［4］。

2 力學(xué)性能分析

根據(jù)本纜索吊機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用ANSYS軟件對(duì)塔架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，主要結(jié)構(gòu)為beam188梁單元仿真模擬，桁架結(jié)構(gòu)中僅受軸力桿件采用link8單元模擬，風(fēng)纜系統(tǒng)等單向受力構(gòu)件采用link10單元模擬。根據(jù)有限元軟件計(jì)算分析得出：索塔最大應(yīng)力數(shù)值為113.4MPa，塔架立柱根部最大應(yīng)力數(shù)值為63.4MPa，塔頂最大位移為27.6mm。有限元分析模型見圖1。

圖1 索塔有限元模型圖

3 監(jiān)測項(xiàng)目及方法

3.1 塔架監(jiān)測

組合式索塔在施工過程中承受各種工況下的壓彎組合，受力很大，除進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算仿真分析外，應(yīng)在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位設(shè)置位移、應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，不但可以通過位移、傾斜度和應(yīng)力的監(jiān)測情況校核計(jì)算結(jié)果，而且可以保證施工過程安全［5］。

3.2 位移監(jiān)測

位移監(jiān)測采用GNSS監(jiān)測系統(tǒng)，布置在塔架最大位移塔頂處，該系統(tǒng)包括1 個(gè)GNSS 基準(zhǔn)站、2 個(gè)GNSS 監(jiān)測站和監(jiān)控中心3 部分，各部分之間使用通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，對(duì)各種工況下的坐標(biāo)與空載狀態(tài)下的塔頂坐標(biāo)之差進(jìn)行計(jì)算，分別計(jì)算出縱向、橫向位移，保證施工安全。

3.3 卷揚(yáng)機(jī)控制與監(jiān)測

纜索吊機(jī)智能化集成控制系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)，通過有線和工業(yè)以太網(wǎng)，將卷揚(yáng)機(jī)連接起來，形成一個(gè)互相關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，并將輸出端的信息準(zhǔn)確反映到主操控臺(tái)的計(jì)算機(jī)，通過圖形化控制主界面，實(shí)現(xiàn)卷揚(yáng)機(jī)的自動(dòng)化同步集中控制［5］。在每臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)配備的操作臺(tái)上，設(shè)置本地控制/遠(yuǎn)程控制的選擇開關(guān)，實(shí)現(xiàn)單動(dòng)或聯(lián)動(dòng)控制；對(duì)纜索吊吊裝過程中水平和豎直方向產(chǎn)生的偏差進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)纜索吊聯(lián)動(dòng)控制的同步性，以保證吊裝行走狀態(tài)的平穩(wěn)及牽引鋼絲繩的張力的平衡［6］。

4 纜索吊塔架監(jiān)測分析

清江河大橋智能化監(jiān)測系統(tǒng)于2018年4月26日安裝完成，系統(tǒng)開始調(diào)試運(yùn)行。本項(xiàng)目對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)力和位移進(jìn)行總結(jié)分析，對(duì)輔助檢測參數(shù)風(fēng)速風(fēng)向和溫度傳感器進(jìn)行分析。傳感器布置數(shù)量見表1。

表1 數(shù)據(jù)監(jiān)測傳感器統(tǒng)計(jì)表

4.1 應(yīng)力監(jiān)測

通過仿真計(jì)算分析可知，塔架受力的控制截面在塔架根部，由于受不平衡水平力作用，塔架根部彎矩大，安裝BGK-4000 型振弦式應(yīng)變傳感器。通過振弦無線數(shù)據(jù)采集儀，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測塔架根部應(yīng)力變化，保證施工安全。典型應(yīng)力測點(diǎn)數(shù)量見表2，典型應(yīng)力測點(diǎn)隨時(shí)間變化曲線圖見圖2和圖3。

圖2 1#和2#測點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測值隨時(shí)間變化曲線圖

圖3 5#和6#測點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測值隨時(shí)間變化曲線圖

表2 1#測點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)表

結(jié)合實(shí)測值與理論最大值對(duì)比，在施工過程中，嚴(yán)格控制纜索吊機(jī)起吊的重量。從各測點(diǎn)應(yīng)力變化值可以明顯地看出，在起吊重物的施工階段時(shí)，各測點(diǎn)的應(yīng)力值明顯有增大。通過系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證在施工過程中索塔的各點(diǎn)應(yīng)力均在理論范圍之內(nèi)，保證工程的安全施工。

4.2 位移監(jiān)測

GNSS位移監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，在橋梁施工的34周時(shí)間內(nèi)，除個(gè)別時(shí)間點(diǎn)，數(shù)據(jù)偶爾超過理論計(jì)算值0.0276m，但在規(guī)范值0.0681m范圍內(nèi)。典型位移測點(diǎn)隨時(shí)間變化曲線圖見圖4。

圖4 1#測點(diǎn)X、Y、Z方向位移值隨時(shí)間變化曲線圖

4.3 環(huán)境監(jiān)測

4.3.1 風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測

為分析在纜索吊施工過程中橋位區(qū)在可能出現(xiàn)的最大風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)的安全性，采用超聲波風(fēng)速儀進(jìn)行風(fēng)速的監(jiān)測，在各個(gè)施工階段中，分別對(duì)施工中的風(fēng)速及風(fēng)向進(jìn)行監(jiān)測。第1 周至第34 周，最小風(fēng)向?yàn)?，最大風(fēng)向?yàn)?59，最小風(fēng)速為0，最大風(fēng)速為8.0，在施工過程中的風(fēng)向皆在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

4.3.2 溫度監(jiān)測

溫度和濕度監(jiān)控采用WSD4080RK120-485 型傳感器，測點(diǎn)布置在索塔塔身，其工作溫度-40℃～120℃，分辨率0.1℃；工作濕度0%RH～100%RH，分辨率0.1%RH。

本次監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)如表3所示。由數(shù)據(jù)表明，在施工過程中，傳感器在正常運(yùn)行的情況下可以準(zhǔn)確測量出溫度和濕度。在整個(gè)施工過程中，由數(shù)據(jù)表明，除在特殊的情況下會(huì)出現(xiàn)個(gè)別數(shù)值超出正常范圍外，其他均屬正常，保證了現(xiàn)場施工工作的順利進(jìn)行。

表3 溫度與濕度實(shí)測數(shù)據(jù)表

4.4 纜索吊機(jī)智能化集成控制系統(tǒng)

在纜索吊機(jī)吊裝鋼箱梁的過程中，通過對(duì)卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩的張力、出繩長度及牽引速度3 項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，來準(zhǔn)確地反映和控制纜索吊起重和牽引力、垂直和水平位置及運(yùn)行速度，控制纜索吊安全運(yùn)行。

卷揚(yáng)機(jī)集中控制系統(tǒng)在西門子集成自動(dòng)化開發(fā)平臺(tái)上，將檢測到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反映到控制屏幕，通過屏幕上的按鈕控制，實(shí)現(xiàn)全程動(dòng)態(tài)同步精確控制。系統(tǒng)軟件界面可以分為主界面、參數(shù)設(shè)置界面和歷史數(shù)據(jù)界面等不同功能界面，系統(tǒng)主界面能夠直觀顯示纜索起重機(jī)的工作狀態(tài)和各實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)［7］。

通過集成控制系統(tǒng)的安全控制系統(tǒng)，在屏幕上實(shí)時(shí)顯示故障預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)安全指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和報(bào)警。纜索吊機(jī)在聯(lián)動(dòng)運(yùn)行模式下，每臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)配置了單獨(dú)的操作與控制系統(tǒng)，單獨(dú)的控制系統(tǒng)上設(shè)置了報(bào)警輸出、故障急停、本地、遠(yuǎn)程、單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)等相關(guān)按鈕，每個(gè)控制按鈕都與聯(lián)動(dòng)信號(hào)傳送關(guān)聯(lián)，若單臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)停滯或故障等突發(fā)狀況，發(fā)出故障報(bào)警后，與其相關(guān)聯(lián)的卷揚(yáng)機(jī)也會(huì)緊急停止運(yùn)轉(zhuǎn)，避免突發(fā)狀況的發(fā)生［8］。

5 結(jié)論

通過對(duì)清水江纜索吊智能化監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行分析，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）通過應(yīng)用信息化的智能監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)反映出纜索吊各施工階段設(shè)備關(guān)鍵構(gòu)件的受力狀況。通過預(yù)警評(píng)估系統(tǒng)及保護(hù)功能，確保纜索吊的安全運(yùn)行。

（2）通過系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，可對(duì)設(shè)計(jì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核，并對(duì)仿真模型進(jìn)行修正，為以后的仿真計(jì)算積累經(jīng)驗(yàn)。

（3）通過智能化的動(dòng)力控制設(shè)備，保證了吊裝系統(tǒng)安全、可靠操作，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)同步運(yùn)行，減少操作人員，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工效。

（4）鑒于國內(nèi)目前無系統(tǒng)化的纜索吊機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用案例，本項(xiàng)目的實(shí)施可為同類型橋梁纜索吊智能化控制系統(tǒng)提供參考。