大型橋梁工程施工和運(yùn)營一體化融合監(jiān)測方法研究

陳立 徐軍榮

摘要：簡述了之江大橋工程概況，介紹了橋梁施工和運(yùn)營監(jiān)測系統(tǒng)以及特殊事件監(jiān)測管理，闡述了施工和運(yùn)營的一體化融合監(jiān)測方式及其指標(biāo)體系，通過之江大橋位移指標(biāo)的一體化融合監(jiān)測，展現(xiàn)了其特殊的優(yōu)越性，具有較好應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：大型橋梁；施工與運(yùn)營；融合監(jiān)測；方法研究

0? ?引言

近些年來，國家有關(guān)部門對橋梁工程施工與運(yùn)營監(jiān)測越來越重視。拱形鋼塔斜拉橋作為一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式和較高技術(shù)要求的橋梁類型，對其施工和運(yùn)營過程中的監(jiān)測方法提出了更高的要求。為了實(shí)現(xiàn)對大型拱形鋼塔斜拉橋施工和運(yùn)營狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)測和評估，建立施工與運(yùn)營一體化監(jiān)測方法顯得尤為重要。

1? ?工程概況

之江大橋（又稱錢江七橋）是中國浙江省杭州市一座跨越京杭大運(yùn)河的拱形鋼塔斜拉橋，也是中國第一座擁有雙層公路和高速鐵路的斜拉橋。主橋全長4780m，其中主跨長2288m，是當(dāng)時世界上跨度第二大的斜拉橋。主梁采用榀形鋼箱梁結(jié)構(gòu)，總質(zhì)量達(dá)到11500t，是目前世界上懸索斜拉橋中自重最大的梁式結(jié)構(gòu)。主橋索塔高205.6m，是當(dāng)時世界上最高的斜張橋塔。主橋斜拉索采用雙向斜拉形式，每一側(cè)都由70根斜拉索組成。斜拉索采用錨固式端頭固定，能夠強(qiáng)制性鎖住整個索束，防止塔身出現(xiàn)位移并增加整座橋的安全性。

2? ?橋梁施工和運(yùn)營監(jiān)測系統(tǒng)

2.1? ?橋梁施工監(jiān)測系統(tǒng)

施工監(jiān)測系統(tǒng)的作用是對斜拉橋梁施工過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，以確保施工質(zhì)量和施工安全。具體包括以下5個方面：一是建筑設(shè)備監(jiān)測。監(jiān)控各種與施工相關(guān)的設(shè)備，包括起重機(jī)、車輛、鉆機(jī)、爆破機(jī)等，以確保它們的運(yùn)行安全和正常使用。二是施工現(xiàn)場監(jiān)測。利用視頻監(jiān)測系統(tǒng)對斜拉橋梁施工現(xiàn)場及其周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，并對施工現(xiàn)場人員的作業(yè)情況進(jìn)行監(jiān)督，以便及時管理。三是施工測量監(jiān)測。測量斜拉橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中的變形和位移等參數(shù)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時分析，確保施工質(zhì)量和橋梁結(jié)構(gòu)安全。四是施工安全監(jiān)測。監(jiān)控施工現(xiàn)場的安全狀況，包括施工過程中的安全隱患和施工過程的安全狀態(tài)，以便及時采取應(yīng)對措施或應(yīng)急預(yù)案。五是數(shù)據(jù)分析決策。對收集到的各類監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行匯總、處理和分析，形成相關(guān)文件和圖表，以便實(shí)時掌握施工進(jìn)度和質(zhì)量情況，及時做出決策。

2.2? ?橋梁運(yùn)營監(jiān)測系統(tǒng)

橋梁運(yùn)營監(jiān)測系統(tǒng)是一種旨在提高橋梁運(yùn)營安全性和可靠性的自動化監(jiān)測系統(tǒng)。通過傳感器并采用無線通信技術(shù)，實(shí)時監(jiān)測橋梁的結(jié)構(gòu)變化，采集橋梁的結(jié)構(gòu)應(yīng)變和振動，天氣的溫度和濕度，河水的流量及水位等各種重要數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)化為有用的信息，并以圖形化的界面提供給用戶實(shí)時查看和分析。橋梁運(yùn)營監(jiān)測系統(tǒng)可以提供橋梁運(yùn)營全過程的實(shí)時監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對橋梁的結(jié)構(gòu)狀況、承載能力、安全性能、磨損損壞、環(huán)境影響等多方位運(yùn)營狀況進(jìn)行評估，從而加強(qiáng)橋梁運(yùn)營期間的管理，及時對橋梁進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)、改進(jìn)橋梁管理工作。此外，橋梁運(yùn)營監(jiān)測系統(tǒng)還有利于發(fā)現(xiàn)橋梁上的突發(fā)事件并做出快速反應(yīng)[1]。

2.3? ?特殊事件監(jiān)測管理

針對橋梁在運(yùn)營過程中可能遭受的自然災(zāi)害、船舶撞擊、超重車通行等突發(fā)性損傷與破壞，本文提出了一套系統(tǒng)化的橋梁發(fā)生特殊事件管理體系[2]。這個管理體系包括對突發(fā)事件發(fā)生時橋梁狀態(tài)的監(jiān)測，對特殊事件的安全性分析、預(yù)警與應(yīng)急措施，以及后期維修養(yǎng)護(hù)建議等。

該特殊事件管理體系需要利用先進(jìn)的橋梁運(yùn)營監(jiān)測系統(tǒng)，通過實(shí)時監(jiān)測橋梁運(yùn)營狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。高精度的傳感器將監(jiān)測到的橋梁發(fā)生特殊事件時的橋梁振動和變形等數(shù)據(jù)，傳輸給控制器并記錄下來。針對橋梁特殊事件數(shù)據(jù)，應(yīng)用專業(yè)的風(fēng)險評估方法識別特殊事件的的性質(zhì)和嚴(yán)重程度。橋梁運(yùn)營期間間特殊事件管理體系如圖1所示。

3? ?施工和運(yùn)營的一體化融合監(jiān)測

3.1? ?融合的含義

橋梁施工監(jiān)測系統(tǒng)與運(yùn)營監(jiān)測系統(tǒng)融合，是指將二者的監(jiān)測工具、監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)融合在一起，以實(shí)現(xiàn)對橋梁施工和運(yùn)營狀態(tài)的全面監(jiān)測和管理。這種融合起來的系統(tǒng)，將幫助橋梁工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更高效的監(jiān)測，管理和服務(wù)，提高橋梁的可持續(xù)性和使用性能。在融合系統(tǒng)中，相關(guān)人員能夠更好地監(jiān)測橋梁施工的過程，能夠及時改進(jìn)施工質(zhì)量并優(yōu)化運(yùn)營過程。這種融合系統(tǒng)的開發(fā)需要集成和結(jié)合多種技術(shù)和方法[3]。

3.2? ?硬件融合

在施工監(jiān)測與運(yùn)營監(jiān)測系統(tǒng)的融合中，硬件融合是必不可少的。為了保證施工監(jiān)測和運(yùn)營監(jiān)測的無縫銜接，需要選用具有相同通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)格式的硬件設(shè)備，例如傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、控制器等。在選用硬件設(shè)備時，還需要考慮設(shè)備的可靠性和耐用性，以保證設(shè)備的穩(wěn)定性和持久性。

3.3? ?軟件融合

在施工監(jiān)測與運(yùn)營監(jiān)測系統(tǒng)的融合中，軟件融合也非常重要。為了保證器無縫銜接，需要使用具有互相兼容的軟件平臺或軟件接口，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸和共享。例如，可以采用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)格式和交互協(xié)議，并利用開放式的API接口，確保不同軟件之間的數(shù)據(jù)交換和共享方便快捷。

3.4? ?傳輸方式融合

在施工監(jiān)測與運(yùn)營監(jiān)測系統(tǒng)的融合中，傳輸方式的融合必不可少。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)控和共享，可采用多種傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，例如有線傳輸、無線傳輸、互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)取Ｔ谶x擇傳輸方式時，需要同時考慮傳輸速度、傳輸距離、傳輸穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)的安全性等因素，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性和完整性。

3.5? ?數(shù)據(jù)融合

在施工監(jiān)控與運(yùn)營監(jiān)測系統(tǒng)的融合中，數(shù)據(jù)融合也是重要的方面。通過將施工監(jiān)測和運(yùn)營監(jiān)測所涉及的數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)融合，建立一個全面而完整的數(shù)據(jù)模型，用于進(jìn)行系統(tǒng)的分析和評估。同時，為了保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，需要建立定期的數(shù)據(jù)清理和更新機(jī)制，并采用多種數(shù)據(jù)分析工具進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和分析，以獲取更為精準(zhǔn)和有效的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

4? ?一體化融合監(jiān)測指標(biāo)體系

4.1? ?硬件指標(biāo)

用于之江大橋施工和運(yùn)營的一體化融合監(jiān)測系統(tǒng)的硬件，包括傳感器、采集器、通信模塊、控制器、計(jì)算機(jī)等。這些硬件的關(guān)鍵指標(biāo)包括靈敏度、分辨率、精確度、可靠性和穩(wěn)定性等。其中靈敏度、分辨率和精確度是指傳感器等硬件對測量值變化的反應(yīng)能力，能夠捕捉到最小測量值變化，測量值與真實(shí)值之間的偏差最?。豢煽啃院头€(wěn)定性是指硬件在長期使用中的故障率低，且能適應(yīng)各種不利環(huán)境條件。因此，在建設(shè)中需要選擇具有高性能和可靠性的硬件設(shè)備，以確保監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

4.2? ?軟件指標(biāo)

用于之江大橋施工和運(yùn)營的一體化融合監(jiān)測系統(tǒng)的軟件，包括計(jì)算機(jī)軟件及其功能。這些軟件的功能包括數(shù)據(jù)采集、實(shí)時監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析和報告生成等。重點(diǎn)指標(biāo)包括實(shí)時性、準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性等。其中，實(shí)時性是指軟件能夠及時處理和響應(yīng)各種警報，準(zhǔn)確性是指軟件能夠正確地處理和分析不同類型的數(shù)據(jù)，可靠性是指軟件能夠在長期運(yùn)營中正常工作，穩(wěn)定性是指軟件能夠在各種環(huán)境條件下穩(wěn)定工作。為了確保軟件的高效、準(zhǔn)確和可靠性，應(yīng)選擇性能穩(wěn)定的計(jì)算機(jī)。

4.3? ?傳輸設(shè)備指標(biāo)

用于之江大橋施工和運(yùn)營的一體化融合監(jiān)測系統(tǒng)的傳輸設(shè)備，包括通信傳輸設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和存儲設(shè)備等。這些傳輸設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)包括傳輸速率、帶寬、穩(wěn)定性和可靠性等。傳輸速率和帶寬是指設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的速度和容量，穩(wěn)定性是指設(shè)備在各種環(huán)境條件下的穩(wěn)定性能，可靠性是指設(shè)備在長期使用中的故障率。在選擇傳輸設(shè)備時，需要認(rèn)真考慮傳輸設(shè)備上述性能指標(biāo)。

4.4? ?數(shù)據(jù)格式指標(biāo)

用于之江大橋施工和運(yùn)營的一體化融合監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式，包括測量參數(shù)、單位、時間和地理位置等元素。數(shù)據(jù)格式的關(guān)鍵指標(biāo)包括數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)壓縮率、數(shù)據(jù)可讀性和數(shù)據(jù)傳輸效率等。數(shù)據(jù)精度是指數(shù)據(jù)的測量精度，數(shù)據(jù)壓縮率是指將原始數(shù)據(jù)壓縮為較小文件的比率，數(shù)據(jù)可讀性是指數(shù)據(jù)易于理解和處理，數(shù)據(jù)傳輸效率是指數(shù)據(jù)在傳輸過程中的速率和有效率。為了確保數(shù)據(jù)的可靠性、精度和傳輸效率，應(yīng)該采用規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)格式，并對采集、處理和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和校驗(yàn)。施工和運(yùn)營融合監(jiān)測的指標(biāo)體系如圖2所示。

5? ?之江大橋位移融合監(jiān)測案例

5.1? ?位移監(jiān)測實(shí)施方案

之江大橋的位移一體化融合監(jiān)測的主要部位是懸索塔、橋塔、橋面，監(jiān)測內(nèi)容主要采用位移傳感器監(jiān)測橋體的撓度變化。為了確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，要充分傳感器的安裝位置、數(shù)量和布局，監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和分析方法，數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸和存儲等方面。

融合監(jiān)測系統(tǒng)采用靜力水準(zhǔn)儀和GPS定位，具有經(jīng)濟(jì)適用、準(zhǔn)確性高、實(shí)時監(jiān)測等特點(diǎn)。該監(jiān)測系統(tǒng)對之江大橋的撓度進(jìn)行22個測點(diǎn)的實(shí)時監(jiān)測，其中18個測點(diǎn)使用靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測，4個測點(diǎn)使用GPS進(jìn)行監(jiān)測。該融合監(jiān)測系統(tǒng)融合監(jiān)測點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3中，圓點(diǎn)代表靜力水準(zhǔn)儀測點(diǎn)，三角代表GPS測點(diǎn)（不包括塔頂?shù)?個GPS測點(diǎn)）。將2臺靜力水準(zhǔn)儀設(shè)置在3#墩上方，分別作為上下游獨(dú)立測試組，單個靜力水準(zhǔn)儀可測量橋梁整體撓度和線形。

跨中位置最敏感，因此布置了2個GPS測點(diǎn)，可以測量跨中撓度、橋梁縱向和橫向位移。GPS測量數(shù)據(jù)可與跨中靜力水準(zhǔn)儀的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和自診斷，確保測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5.2? ?位移監(jiān)測實(shí)施方法

5.2.1? ?選擇和布置傳感器

根據(jù)大橋?qū)嶋H情況，選擇合適的傳感器并合理布置。選擇的傳感器應(yīng)與實(shí)測參數(shù)和要求相匹配，一般包括萬能應(yīng)變計(jì)和傾斜計(jì)。在懸索索塔和橋塔部分，使用多個傳感器進(jìn)行監(jiān)測，以確定不同位置的變形情況。

5.2.2? ?數(shù)據(jù)處理與分析

監(jiān)測數(shù)據(jù)采集后，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理和分析。其中包括對位移數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、風(fēng)速等自然環(huán)境因素的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、清洗。還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，例如把原始數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，得到速度、加速度等變量，然后進(jìn)行糾正。

5.2.3? ?數(shù)據(jù)傳輸和存儲

數(shù)據(jù)傳輸和存儲應(yīng)具備實(shí)時性和可靠性。傳輸采用無線方式，監(jiān)測數(shù)據(jù)直接通過傳感器發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)存儲采用分布式方式或云存儲方式，確保數(shù)據(jù)安全性和便捷性。

5.2.4? ?損傷識別

通過對撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和分析，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工記錄，進(jìn)行損傷識別。通常使用小波變換、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等處理方法進(jìn)行損傷識別。

6? ?結(jié)束語

本文以之江大橋工程為例，探討了施工和運(yùn)營兩個監(jiān)測系統(tǒng)的一體化融合監(jiān)測方法，提出了施工和運(yùn)營融合監(jiān)測方式、指標(biāo)體系和特殊事件監(jiān)測管理的新概念，通過實(shí)施體現(xiàn)了一體化融合監(jiān)測系統(tǒng)的智能化水平，有提高了監(jiān)測效率效，降低了監(jiān)測成本，具有良好應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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