斜拉橋智能施工控制專家系統(tǒng)中安全預(yù)警應(yīng)用*

鄭文濤，袁帥華

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201)

斜拉橋智能施工控制專家系統(tǒng)中安全預(yù)警應(yīng)用*

鄭文濤，袁帥華

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201)

斜拉橋施工過程中的安全一直備受建設(shè)者關(guān)注，要確保斜拉橋建設(shè)的質(zhì)量與安全，在斜拉橋施工過程中進(jìn)行安全預(yù)警具有極其重要的意義.在預(yù)警理論基礎(chǔ)上，結(jié)合斜拉橋智能施工控制專家系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了安全預(yù)警子系統(tǒng)，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和分析，根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的預(yù)警準(zhǔn)則，發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)立即報(bào)警，并對預(yù)警結(jié)果提供一定的決策，將風(fēng)險(xiǎn)降到最低，真正地實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警的自動(dòng)化和智能化.

斜拉橋；安全預(yù)警；系統(tǒng)

0 引言

斜拉橋以良好的跨越能力、新穎的結(jié)構(gòu)型式、穩(wěn)定的抗風(fēng)性能和便于懸臂施工等眾多的優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代橋梁建設(shè)中占據(jù)著重要的地位.但正是由于這些優(yōu)點(diǎn)的存在也給斜拉橋的施工帶來了很多不安全因素，在斜拉橋施工控制中進(jìn)行安全預(yù)警是保障斜拉橋更安全、高效的施工的重要手段，能很大程度上降低斜拉橋施工安全風(fēng)險(xiǎn).

斜拉橋安全預(yù)警是對施工過程中可能出現(xiàn)的橋梁安全因素做出預(yù)測和報(bào)警，消除不安全狀態(tài)，降低風(fēng)險(xiǎn).斜拉橋智能施工控制中的安全預(yù)警是將控制理論、預(yù)警理論、專家系統(tǒng)理論應(yīng)用導(dǎo)斜拉橋施工過程中，利用各種技術(shù)手段對斜拉橋施工系統(tǒng)中各種預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測和分析，如主梁的標(biāo)高、主梁和主塔應(yīng)力、斜拉索索力，施工階段穩(wěn)定性等，再構(gòu)建完整的預(yù)警評判準(zhǔn)則來分析判斷各種預(yù)警指標(biāo)的預(yù)警等級，掌握施工中各種指標(biāo)變化狀況和發(fā)展趨勢，對可能出現(xiàn)的異常狀況及其危害程度進(jìn)行預(yù)警，并為管理部門提供及時(shí)有效的預(yù)防控制對策.安全預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)該具有很高的安全性和使用性，能夠完成施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集和管理，并進(jìn)行分析和診斷，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警，最后對與預(yù)警情況作出相應(yīng)的決策調(diào)整，把問題解決在開始萌芽階段，確保斜拉橋施工安全.

1 安全預(yù)警系統(tǒng)組成

斜拉橋智能施工控制專家系統(tǒng)中安全預(yù)警主要由預(yù)警監(jiān)測模塊、預(yù)警分析模塊、預(yù)警判斷模塊和預(yù)警決策模塊組成.

1.1 預(yù)警監(jiān)測

預(yù)警監(jiān)測是收集斜拉橋施工過程中的各種預(yù)警指標(biāo)數(shù)據(jù)，將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，為準(zhǔn)確分析橋梁安全狀況提供堅(jiān)實(shí)可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).預(yù)警監(jiān)測主要包括變形監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測和斜拉索索力監(jiān)測等.

(1) 變形監(jiān)測

在斜拉橋施工安全中，變形是主要監(jiān)測對象，它反映橋梁結(jié)構(gòu)剛度和整體性.變形監(jiān)測主要包括兩個(gè)方面：主梁線形監(jiān)測和主塔偏位監(jiān)測.

(2) 應(yīng)力監(jiān)測

應(yīng)力反映了橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)，它與橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性有關(guān).在施工過程中要確保主梁和主塔應(yīng)力控制在合理的范圍內(nèi)，如果出現(xiàn)異常情況，及時(shí)修正處理，確保主橋的安全，避免應(yīng)力偏差過大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞.應(yīng)力監(jiān)測主要包括關(guān)鍵截面主塔應(yīng)力和主梁應(yīng)力.

(3) 斜拉索索力監(jiān)測

斜拉索張拉力大小直接影響主橋變形和內(nèi)力，索力大小是反映全橋內(nèi)力狀態(tài)的重要指標(biāo).在施工階段，它也是監(jiān)控橋梁安全的主要監(jiān)測量.

1.2 預(yù)警分析

預(yù)警分析是利用數(shù)學(xué)分析方法將監(jiān)測到各種實(shí)測數(shù)據(jù)處理為預(yù)警可以利用的信息并儲(chǔ)存下來，得到預(yù)警指標(biāo)理論值和實(shí)測值的關(guān)系.其中線形和塔偏位的處理方式是求出理論值與實(shí)測值的差值，即：

ΔH=H實(shí)-H理

(1)

其中，H實(shí)是實(shí)測值，H理是理論值.

斜拉索索力和應(yīng)力的處理方式是求出理論值與實(shí)測值的差值百分比，即：

(2)

其中，F(xiàn)實(shí)是實(shí)測值，F(xiàn)理是理論值.

1.3 預(yù)警判斷

預(yù)警判斷須根據(jù)預(yù)警評判規(guī)則來進(jìn)行，預(yù)警判斷規(guī)則主要依據(jù)規(guī)范、力學(xué)規(guī)律以及控制經(jīng)驗(yàn)確定.將預(yù)警判斷規(guī)則用規(guī)則表示法保存到系統(tǒng)知識庫，便于保存和提取利用.歸納起來如表1～表3所示.

表1 變形預(yù)警規(guī)則

表2 應(yīng)力預(yù)警規(guī)則

1.4 預(yù)警決策

預(yù)警決策是根據(jù)預(yù)警判斷的結(jié)果提供一定的決策支持，將風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為“無警”狀態(tài)，確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全.

“無警”表明橋梁處于“安全”狀態(tài)，橋梁運(yùn)行情況良好，正常進(jìn)行下一步施工.

表3 索力預(yù)警規(guī)則

注：表1～表3中，X表示主梁標(biāo)高、塔偏位誤差，Δδ表示應(yīng)力偏差比，ΔT表示索力偏差比.

“一級預(yù)警”表明橋梁處于“比較安全”狀態(tài)，橋梁運(yùn)行情況在允許范圍內(nèi)，此時(shí)正常進(jìn)行下一步施工，同時(shí)加強(qiáng)觀測，提高警惕，避免情況進(jìn)一步惡化.

“二級預(yù)警”表明橋梁處于“比較危險(xiǎn)”狀態(tài)， 橋梁施工系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)不正常，應(yīng)上報(bào)橋梁施工管理部門，協(xié)助相關(guān)單位尋找警源，采取一定的措施使其恢復(fù) 至“安全”狀態(tài).

“三級預(yù)警”表明橋梁處于“危險(xiǎn)”狀態(tài)，應(yīng)停止施工并繼續(xù)加強(qiáng)觀測，請橋梁專家對當(dāng)前的橋梁施工安全狀態(tài)進(jìn)行全面評測，及時(shí)采取緊急調(diào)整措施，避免橋梁坍塌的危險(xiǎn).

2 安全預(yù)警工作流程

根據(jù)斜拉橋施工過程安全預(yù)警系統(tǒng)相關(guān)原理，安全預(yù)警系統(tǒng)工作具體實(shí)現(xiàn)過程如圖1所示.

圖1 斜拉橋安全預(yù)警工作流程

3 安全預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 工程背景

創(chuàng)業(yè)大橋主橋?yàn)榭鐝?49+100=249 m獨(dú)塔雙索面混凝土主梁斜拉橋，塔、梁、墩固結(jié)體系，主跨一跨跨越長湖申運(yùn)河，如圖2所示.索塔采用“H”型索塔，平行直立塔柱；主梁采用混凝土雙主肋主梁；斜拉索采用平行鋼絲成品索，空間扇形雙索面.主橋立面位于豎曲線R=1800 m的凸曲線上，前坡、后坡為±3.0%.

圖2 創(chuàng)業(yè)大橋主橋橋型布置圖

3.2 主梁線形安全預(yù)警的實(shí)現(xiàn)

創(chuàng)業(yè)大橋張拉完合龍段預(yù)應(yīng)力后，對主橋MB15～MB22號梁標(biāo)高進(jìn)行監(jiān)測，其主梁表標(biāo)高數(shù)據(jù)見表4，主梁線形安全預(yù)警窗口如圖3所示，在安全預(yù)警分析窗口中：左側(cè)信息欄顯示分析工況、溫度、時(shí)間以及分析項(xiàng)目；右側(cè)數(shù)據(jù)分析子窗口調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算分析生成圖示表格，表格內(nèi)容包含測監(jiān)測工況、測點(diǎn)位置、實(shí)測值、理論值、偏差百分比、是否預(yù)警和預(yù)警等級等內(nèi)容，再運(yùn)用得到的表格數(shù)據(jù)調(diào)用圖表繪制函數(shù)自動(dòng)生成分析圖.如果用戶需要解釋，專家系統(tǒng)會(huì)將推理過程中用到的所有與安全預(yù)警有關(guān)的規(guī)則的內(nèi)容顯示給用戶.

表4 張拉完合龍段預(yù)應(yīng)力主梁標(biāo)高數(shù)據(jù)

圖3 線形安全預(yù)警窗口

由圖3可知，張拉完合龍段預(yù)應(yīng)力后，各梁段底面線形誤差均在控制精度范圍之內(nèi)，主梁主梁底面線形平順，控制良好.主梁的線形誤差最大出現(xiàn)在MB15處，其最大值為22 mm，會(huì)發(fā)生二級預(yù)警，其他梁段誤差均小于20 mm，主橋梁處于“比較安全”狀態(tài).

3.3 斜拉索索力安全預(yù)警的實(shí)現(xiàn)

創(chuàng)業(yè)大橋張拉完合龍段預(yù)應(yīng)力后，對邊跨AC15～AC22號索進(jìn)行監(jiān)測，其索力數(shù)據(jù)見表5，索力安全預(yù)警窗口如圖4所示.

表5 張拉完合龍段預(yù)應(yīng)力邊跨索力數(shù)據(jù)

圖4 索力安全預(yù)警窗口

由圖4可知，張拉完合龍段預(yù)應(yīng)力后，所有斜拉索實(shí)測索力與理論索力吻合良好，誤差均很小，控制效果理想.除AC16偏為5.5%，超過5%，但未超過10%，會(huì)出現(xiàn)一級預(yù)警，其他斜拉索索力均不超過5%，不會(huì)產(chǎn)生預(yù)警，主橋處于“安全”狀態(tài).

4 結(jié)束語

隨著越來越多大跨徑、超大跨徑斜拉橋的出現(xiàn)，安全問題在施工過程中顯得更加重要，因此在斜拉橋施工控制中進(jìn)行安全預(yù)警得到了更多人的關(guān)注和青睞，安全預(yù)警是確保主橋安全的有效途徑.本文將安全預(yù)警系統(tǒng)成功應(yīng)用到創(chuàng)業(yè)大橋中施工控制中，實(shí)現(xiàn)了線形安全預(yù)警和索力安全預(yù)警，并取得了良好的控制效果，具有一定的應(yīng)用前景.

[1] 袁帥華.基于網(wǎng)絡(luò)的橋梁智能化施工控制系統(tǒng)研究[D].同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文,2008.

[2] 隋莉穎,劉 浩.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測與安全預(yù)警技術(shù)研究[J].公路交通科技,2015(2):8-11.

[3] 郝 毅.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].管理工程師,2013(2):33-35.

[4] 韓成博.斜拉橋施工過程智能安全預(yù)警系統(tǒng)研究[D].湖南科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2014.

[5] 朱曉文,張宇峰.公路常規(guī)橋梁狀態(tài)監(jiān)測與安全預(yù)警技術(shù)研究[J].現(xiàn)代交通技術(shù),2013(2):25-28.

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ApplicationofSafetyEarlyWarningofIntelligentConstructionControlExpertSystemofCable-StayedBridges

ZHENG Wen-tao，YUAN Shuai-hua

(College of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

The safety of the cable-stayed bridges has been paid more and more attention by the builders. To ensure the quality and safety of the cable-stayed bridges construction, it is extremely important to carry out the safety early warning in the construction process of the cable-stayed bridges. Based on the theory of early warning, this thesis designs a safety early warning subsystem based on the intelligent construction control expert system of cable-stayed bridges. Through the collection and analysis of the monitoring data, according to the pre-set warning criteria, it is found that the abnormal data immediately reports the alarm. The early warning results provide some decision-making, minimize the risk, and make early warning to achieve automation and intelligence.

cable-stayed bridge； safety early warning； system

2017-05-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(510787197)；湖南省高校創(chuàng)新平臺(tái)開放基金資助項(xiàng)目(09K083).

鄭文濤(1991-)，男，碩士研究生，研究方向:橋梁工程.通信作者：袁帥華(1974-)，男，博士，副教授，研究方向：大跨度橋梁施工控制.

TB34

A

1671-119X(2017)04-0090-05