摘要 大跨徑變截面連續(xù)箱梁橋施工中，過(guò)程控制至關(guān)重要，直接影響成橋質(zhì)量。文章以某公路懸澆橋?yàn)槔?，首先運(yùn)用Midas Civil建立有限元模型，通過(guò)數(shù)據(jù)分析與實(shí)時(shí)參數(shù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制；然后結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)橋梁的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能化，保障施工安全與成橋性能。結(jié)果顯示，橋梁合龍精度與應(yīng)力狀態(tài)均達(dá)標(biāo)，驗(yàn)證監(jiān)控策略有效。該研究確保橋梁安全與設(shè)計(jì)線形一致，為同類橋梁施工提供科學(xué)監(jiān)控體系與技術(shù)范例，具有顯著的工程實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞 有限元模型；應(yīng)力狀態(tài)；線形；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào) U415 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）24-0005-03

0 引言

大跨徑懸澆箱梁橋的建設(shè)過(guò)程極為復(fù)雜，涉及眾多工序與多變因素，對(duì)橋梁內(nèi)力分布與線形控制有顯著影響。若微小偏差不能得到有效控制，將會(huì)累積并導(dǎo)致嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題和安全隱患[1-2]。為確保懸澆箱梁橋的施工質(zhì)量和安全性，全面精細(xì)的施工過(guò)程監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。該文以某公路懸澆梁橋?yàn)槔?，依托深厚理論基礎(chǔ)與先進(jìn)技術(shù)，采用預(yù)測(cè)控制法[3]作為主要施工控制手段，通過(guò)綜合運(yùn)用正施工法與倒施工法的迭代計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建精準(zhǔn)的理論預(yù)測(cè)模型，并借助最小二乘法等[4]參數(shù)識(shí)別工具進(jìn)行持續(xù)的優(yōu)化調(diào)整。同時(shí)，國(guó)內(nèi)豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、先進(jìn)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)測(cè)試技術(shù)及成熟的有限元計(jì)算軟件，均為施工控制提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐[5-6]。

傳統(tǒng)橋梁監(jiān)控系統(tǒng)依賴人工，受主觀影響且效率低。該公路懸澆梁橋工程引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建智能化施工監(jiān)控系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接物理設(shè)備，利用傳感器、軟件和網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高效智能的數(shù)據(jù)收集與分析[7]，其核心在于設(shè)備互聯(lián)與通信，實(shí)現(xiàn)智能化管理[8]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入橋梁監(jiān)控，是高效智能監(jiān)測(cè)的必然選擇，能夠構(gòu)建全方位的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以確保橋梁安全。物聯(lián)網(wǎng)在橋梁監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為橋梁安全建設(shè)與運(yùn)營(yíng)提供堅(jiān)實(shí)保障，成為推動(dòng)未來(lái)發(fā)展的重要力量。

該文以（55+95+55）m變截面連續(xù)箱梁橋?yàn)楸尘埃瑯驅(qū)?1 m，橋臺(tái)為肋式與板凳式，橋墩為箱形，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。上部為單箱單室連續(xù)剛構(gòu)，中部支點(diǎn)的梁高5.2 m，邊跨直線段及主跨中點(diǎn)2.4 m，高跨比分別為1：18.3和1：39.6，梁高變化遵循二次拋物線。箱梁橫截面為單箱單室直腹板，頂板寬11 m，底板寬6 m，兩側(cè)翼緣懸臂延伸2.5 m。

1 施工監(jiān)控仿真計(jì)算

1.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

該文采用橋梁專業(yè)有限元軟件Midas Civil，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化建模，含89個(gè)梁?jiǎn)卧?0個(gè)節(jié)點(diǎn)，并隨監(jiān)控進(jìn)展適時(shí)調(diào)整，確保模型精準(zhǔn)反映橋梁的實(shí)際構(gòu)造與受力。通過(guò)模擬計(jì)算預(yù)測(cè)各階段的施工位移，實(shí)施正倒裝閉合計(jì)算并驗(yàn)證實(shí)際位移，為施工監(jiān)控提供理論參照，以確定實(shí)際的施工高程。同時(shí)，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)位移數(shù)據(jù)與理論值，及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏差并進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，確保施工精準(zhǔn)。

1.2 模型參數(shù)誤差分析與修正

橋梁施工監(jiān)控通過(guò)四大核心步驟確保精準(zhǔn)控制，分別如下：

（1）監(jiān)測(cè)。利用先進(jìn)技術(shù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)，如結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力變化，為后續(xù)分析提供基礎(chǔ)。

（2）數(shù)據(jù)收集。持續(xù)收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，真實(shí)反映橋梁狀態(tài)。

（3）偏差糾正。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整高敏感性的參數(shù)，縮小理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)量的差距。

（4）預(yù)測(cè)?；谡{(diào)整參數(shù)預(yù)測(cè)下一施工階段，確保連續(xù)性和準(zhǔn)確性。

四個(gè)步驟相輔相成，形成閉環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)事前預(yù)測(cè)、事中控制及事后修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁施工全過(guò)程的精確監(jiān)控和及時(shí)調(diào)整，確保施工質(zhì)量和安全[9-10]。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁監(jiān)控系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入橋梁監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的受力、變形，精準(zhǔn)評(píng)估安全性，預(yù)警潛在風(fēng)險(xiǎn)，構(gòu)建全方位的安全體系。采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，廣泛部署傳感器，以全面獲取結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，其低功耗、高性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)促進(jìn)了健康監(jiān)控云平臺(tái)的發(fā)展，使監(jiān)測(cè)評(píng)估更智能、更高效，不斷優(yōu)化現(xiàn)有體系，為未來(lái)橋梁建設(shè)提供完善的監(jiān)控方案。

2.1 橋梁監(jiān)控系統(tǒng)

橋梁監(jiān)控系統(tǒng)集傳感器、數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理及安全預(yù)警于一體。

（1）傳感器系統(tǒng)。主要分為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、震動(dòng)、荷載及靜動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)四大類，利用應(yīng)變儀、測(cè)力計(jì)、平衡加速度傳感器、風(fēng)度儀、強(qiáng)震儀、傾角儀、位移計(jì)和GPS等設(shè)備，全面監(jiān)測(cè)橋梁的應(yīng)力應(yīng)變、振動(dòng)沖擊、自然荷載及沉降傾斜等狀態(tài)。

（2）數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和通信線纜，實(shí)時(shí)采集并傳輸信息至健康監(jiān)控云平臺(tái)，利用云計(jì)算和大數(shù)據(jù)處理能力實(shí)時(shí)分析橋梁的健康狀態(tài)。

（3）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。智能化篩選并分析大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提高處理效率。

（4）安全預(yù)警系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)時(shí)界面提示、信號(hào)、短信等方式進(jìn)行預(yù)報(bào)警，包含報(bào)警模塊和報(bào)警設(shè)置模塊，根據(jù)預(yù)設(shè)值進(jìn)行不同等級(jí)的預(yù)警，分為紅色（危險(xiǎn)）、橙色（警戒）、黃色（異常）和綠色（正常），分別對(duì)應(yīng)不同級(jí)別的安全隱患，以確保橋梁安全。

2.2 監(jiān)控云平臺(tái)的搭建

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為橋梁監(jiān)控帶來(lái)了革新，信息的采集與傳輸主要依賴通信線纜和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用Zigbee協(xié)議確保數(shù)據(jù)同步傳輸。數(shù)據(jù)通過(guò)樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)收集，經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至匯集節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至健康監(jiān)控云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

云平臺(tái)作為橋梁監(jiān)控系統(tǒng)的核心，具備三大功能：橋梁基礎(chǔ)信息管理，構(gòu)建全面的橋梁信息庫(kù)；實(shí)時(shí)橋梁監(jiān)控，接收并展示傳感器數(shù)據(jù)，觸發(fā)報(bào)警；橋梁承載評(píng)估與預(yù)警，運(yùn)用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)評(píng)估橋梁的安全性，提前識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)。

云平臺(tái)架構(gòu)由硬件層、數(shù)據(jù)層、組件層、應(yīng)用層及服務(wù)層構(gòu)成。硬件層提供基礎(chǔ)設(shè)施支持，數(shù)據(jù)層確保數(shù)據(jù)的完整性與即時(shí)性，組件層實(shí)現(xiàn)跨品牌傳感器的快速接入，應(yīng)用層提供橋梁監(jiān)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)，服務(wù)層專注于預(yù)警信息管理、智能數(shù)據(jù)分析與評(píng)估。

在軟件應(yīng)用層面，云平臺(tái)涵蓋數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)庫(kù)、用戶界面及移動(dòng)端應(yīng)用子系統(tǒng)，共同構(gòu)成軟件核心，為橋梁健康監(jiān)測(cè)提供全面支持。

3 施工監(jiān)控技術(shù)實(shí)施

3.1 線形監(jiān)測(cè)

在施工過(guò)程中，隨著主梁懸臂的長(zhǎng)度變化，結(jié)構(gòu)內(nèi)力和主梁標(biāo)高也處在實(shí)時(shí)變化中。根據(jù)大跨度連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及受力特點(diǎn)，結(jié)合過(guò)往控制經(jīng)驗(yàn)，連續(xù)梁橋施工控制主要進(jìn)行線形控制與應(yīng)力控制，對(duì)主梁標(biāo)高與應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，兼顧結(jié)構(gòu)溫度量測(cè)。當(dāng)應(yīng)力與線形控制出現(xiàn)沖突時(shí)，在不影響結(jié)構(gòu)安全性的前提下，調(diào)整結(jié)構(gòu)線形處于可控范圍，確保橋梁順利合龍。該橋線形監(jiān)測(cè)采用光纖超聲波三維位移傳感器。為控制懸澆箱梁橋各梁段的標(biāo)高，在每個(gè)梁段的端部截面混凝土頂部設(shè)置3個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

結(jié)構(gòu)安全是施工過(guò)程中的重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題。監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化與設(shè)計(jì)應(yīng)力是否吻合，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，盡早調(diào)整后續(xù)工序。按照連續(xù)箱梁的結(jié)構(gòu)與受力特點(diǎn)，該橋共布置8個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)關(guān)鍵截面，其中每個(gè)截面箱梁上各布置4個(gè)光纖光柵溫度傳感器、4個(gè)無(wú)線應(yīng)力傳感器，頂?shù)装甯?個(gè)監(jiān)測(cè)截面，主要包括了懸臂根部、中跨1/4和3/4截面、邊跨L/2截面。

3.3 主要施工階段線形監(jiān)測(cè)成果

連續(xù)梁橋跨結(jié)構(gòu)的合龍是工程成功的關(guān)鍵，其精度是衡量施工控制成效的重要指標(biāo)。因橋面設(shè)計(jì)存在高差，合龍誤差需排除坡度導(dǎo)致的標(biāo)高差異。跨中合攏前，主梁梁面標(biāo)高數(shù)據(jù)（如表1所示）顯示，上下游測(cè)點(diǎn)高差值（0.020 m）在扣除坡度影響（0.014 m）后，合攏精度為0.006 m，符合要求的0.020 m以內(nèi)，這表明施工控制技術(shù)有效確保了主梁合龍精度及結(jié)構(gòu)的順利合龍。

梁段施工涵蓋模板安裝、混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉及掛籃前移等步驟。表2對(duì)比了合龍前主梁關(guān)鍵節(jié)段的實(shí)測(cè)與理論撓度，后者則是基于有限元模型進(jìn)行的計(jì)算。結(jié)果顯示，同一斷面梁段3測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)撓度相近，且因遵循預(yù)拋值設(shè)置，實(shí)測(cè)與理論高程的偏差小于20 mm，滿足施工控制標(biāo)準(zhǔn)。

梁段合龍并完成橋面鋪裝前，全面測(cè)量主梁標(biāo)高。如圖1所示，實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)標(biāo)高的對(duì)比顯示，線形高度一致，偏差小于20 mm，達(dá)成施工控制目標(biāo)。因納入預(yù)拱度考量，實(shí)測(cè)標(biāo)高略高于設(shè)計(jì)。

3.4 應(yīng)力控制效果

在懸澆箱梁橋施工中，應(yīng)控制截面測(cè)點(diǎn)的主要受壓。以1#墩箱梁根部截面為例（負(fù)值表示壓應(yīng)力），如圖2所示，各施工條件下的最大壓應(yīng)力（-9.7 MPa，無(wú)拉應(yīng)力）均低于設(shè)計(jì)極限（-22.4 MPa），且實(shí)測(cè)應(yīng)力趨勢(shì)與理論預(yù)測(cè)相符，確保了結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)論

（1）利用Midas Civil軟件建立了精細(xì)有限元模型，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保了施工安全與成橋性能，應(yīng)力狀態(tài)良好，驗(yàn)證了監(jiān)控策略的有效性。

（2）部署多種傳感器，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了健康監(jiān)控云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)橋梁狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（3）中跨合龍段的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際高差分別為0.014 m和0.020 m，合龍精度為0.006 m，滿足要求，驗(yàn)證了理論模型與施工控制技術(shù)的可靠性。

（4）持續(xù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)確保了結(jié)構(gòu)安全，實(shí)測(cè)應(yīng)力保持在限值范圍內(nèi)，與理論預(yù)測(cè)相符，保障了橋梁整體安全。

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