西江特大橋基于BIM技術(shù)的建管養(yǎng)一體化平臺探究

方超 毛幸全

（廣東省南粵交通清云高速公路管理中心，廣東 廣州 510000）

為實現(xiàn)廣東汕（頭）湛（江）高速公路清遠清新至云浮新興段西江特大橋（以下簡稱“西江特大橋”）在運營期內(nèi)的科學信息化管養(yǎng)，提高管養(yǎng)效率，項目組開展了基于BIM（Building Information Modeling）技術(shù)建管養(yǎng)一體化平臺技術(shù)的研究，力求通過現(xiàn)代化的自動化監(jiān)測與安全評估，為大橋運營期內(nèi)的科學信息化管養(yǎng)提供強大的技術(shù)支撐。

一、研究思路及技術(shù)路線

西江特大橋項目組基于大橋結(jié)構(gòu)計算分析和運營期風險評估結(jié)果，構(gòu)建了大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，實時獲取大橋結(jié)構(gòu)的靜動力響應狀態(tài)。

開發(fā)對接西江特大橋建設期BIM模型的接口協(xié)議，實現(xiàn)“可視即可得”的橋梁可視化管養(yǎng)；平臺基于橋群設計理念，后期可無縫擴展接入多座橋梁，同時將橋梁自定義化設計理念貫穿系統(tǒng)設計始終。

通過成橋荷載試驗數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)修正大橋的初始有限元模型，建立溫度變化與結(jié)構(gòu)變形之間的基準模型，并運用統(tǒng)計過程控制技術(shù)監(jiān)控模型殘差，建立基于溫度變形的懸索橋運營狀態(tài)監(jiān)控方法。

二、課題研究成果

（一）監(jiān)測系統(tǒng)設計

結(jié)合大橋橋址區(qū)運營環(huán)境特點、結(jié)構(gòu)受力特性和構(gòu)造特點，可以確定地震動荷載監(jiān)測、伸縮縫及支座位移監(jiān)測、結(jié)構(gòu)動力及振動特性監(jiān)測、吊索索力監(jiān)測、主梁的應力應變監(jiān)測等方面的監(jiān)測內(nèi)容。

（二）建設期BIM 模型數(shù)據(jù)共享研究

項目組研究開發(fā)了健康監(jiān)測系統(tǒng)與BIM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口與平臺，包括基于UDP協(xié)議的自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)接口、基于Web Service的統(tǒng)計數(shù)據(jù)調(diào)用接口，并建立了基于建設期BIM模型與健康監(jiān)測相融合的一體化平臺。

為實現(xiàn)與建設期BIM模型的數(shù)據(jù)共享與傳遞，滿足建設期BIM模型承載橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)，實現(xiàn)橋梁精細化、動態(tài)化管理，項目組研究開發(fā)了“BIM+健康監(jiān)測”一體化平臺。

（三）智能纜索系統(tǒng)監(jiān)測介紹

在纜索的制造過程中，將特制的光纖光柵應變傳感器和光纖光柵溫度傳感器植入纜索，使纜索可對自身索力及溫度進行實時在線監(jiān)測，使纜索從單純承力的構(gòu)件上升成為具有自動感知能力的智能纜索，無需增加外部檢測構(gòu)件即可實現(xiàn)纜索從出廠、運輸、施工到運營階段的全過程索力監(jiān)測。智能纜索不僅滿足了大橋纜索的健康監(jiān)測要求，而且還提高了大橋的安全性，具有重要的社會意義與經(jīng)濟價值。

三、荷載試驗期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析研究

為檢驗西江特大橋的承載能力及其工作狀態(tài)是否滿足設計要求，項目組開展了大橋荷載試驗，試驗內(nèi)容包括成橋線形測量、靜載試驗和動載試驗。在荷載試驗期間，西江特大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)處于試運行階段，部分監(jiān)測數(shù)據(jù)可用于校核、驗證荷載試驗結(jié)果，以便更好地把握大橋的初始狀態(tài)。本文詳細分析了大橋主梁縱向水平位移在車輛靜力加載下的變化規(guī)律。

（一）荷載試驗概況

荷載試驗包括北邊跨跨中截面最大撓度和彎矩，中跨3L/4位置截面最大撓度和彎矩，北側(cè)塔梁交接處最大負彎矩，以及中跨跨中彎矩和撓度、北側(cè)塔根彎矩、南側(cè)錨跨索股張力4個工況，每個工況從第一天23時至第二天2時結(jié)束。

各工況分別采用16輛、28輛、44輛和56輛重約350kN的載重汽車進行偏載和對稱加載。為節(jié)約車輛臺班、便于方案現(xiàn)場實施，各工況按4級加載和2級卸載，其中第一、二級加載為偏載工況（第二級加載為偏載的滿載），第四級加載為對稱滿載加載。第一級卸載后的加載狀態(tài)與第二級加載相同，第二級卸載對應于零載狀態(tài)。

（二）主梁縱向位移

荷載試驗單位由人工采用鋼直尺測量，而在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中該位移由清遠側(cè)和云浮側(cè)梁端的4個拉繩式位移計記錄（清遠側(cè)塔梁交叉處的位移計在荷載試驗期間尚未安裝完成），位移和溫度測點分別編號。為方便比較，梁端水平位移數(shù)據(jù)以向云浮側(cè)運動為正。

通過試驗可知，工況1、3、4的加載效應非常明顯，而工況2的數(shù)據(jù)因設備故障未能獲得。不難發(fā)現(xiàn)，同一斷面上縱向位移計的數(shù)據(jù)變化規(guī)律非常相似，表明主梁斷面繞豎直軸的轉(zhuǎn)動效應可以忽略。

在荷載試驗加載期間（即每日午夜時段），主梁兩端的伸縮位移呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系（同相位），而在白天非加載時段，梁端伸縮位移表現(xiàn)出負相關(guān)關(guān)系（反相位）。因溫度日夜變化引起的主梁伸縮位移明顯大于由工況1引起的位移，這表明溫度變化對橋梁變形的影響顯著，有必要對數(shù)據(jù)做“溫度補償”。

通過對不同工況下車輛荷載引起的主梁縱向水平位移可知。工況3和工況4的車輛荷載較大，結(jié)構(gòu)響應明顯。

不難發(fā)現(xiàn)，兩個獨立測試系統(tǒng)的結(jié)果吻合較好，驗證了彼此的正確性。同時，在車輛加載時，工況1和工況3的位移為負，說明主梁向清遠側(cè)移動；而工況4的位移為正，說明主梁向云浮側(cè)移動。主梁沿順橋向的運動方向與車輛荷載的重心與主梁重心的相對位置有關(guān)。

四、結(jié)語

項目組通過理論推導、有限元分析、短期（荷載試驗）和長期（結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測）現(xiàn)場實測等研究方法，延伸研究了西江特大橋在溫度作用下的變形規(guī)律，得出3個結(jié)論。

1.作為柔性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，懸索橋主梁可在車輛準靜態(tài)加載條件下產(chǎn)生順橋向平移，移動方向可通過主梁和車輛系統(tǒng)重心位置的變化定性解釋。在運營階段，車輛荷載對主梁縱向位移的影響不大。

2.通過建立溫度與梁端縱向水平位移之間的數(shù)學模型，可識別測試數(shù)據(jù)中的異常。在測試數(shù)據(jù)準確條件下，該方法同樣可用于識別結(jié)構(gòu)狀態(tài)的異常變化。建議補充西江特大橋主梁底板的溫度數(shù)據(jù)，以便得到更精確的溫度變形基準模型。

3.與傳統(tǒng)測試技術(shù)相比，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)能提供更為豐富的數(shù)據(jù)和信息，有助于揭示橋梁的實際受力和工作狀態(tài)。