大跨度連續梁線形監控信息化系統設計及應用

李 強 王明剛

(中鐵四局集團第五工程有限公司,江西九江 332000)

在大跨度連續梁施工過程中,受施工精度、材料特性、施工環境的諸多因素影響,實際施工線形和受力狀態與設計理論值會存在一定偏差。為保證連續梁結構安全,確保其順利合龍及成橋線形符合設計要求,需對連續梁施工過程進行線形監控、實時糾偏[1-4]。

在連續梁順利合龍后,受溫度、自重、荷載等因素影響,梁體混凝土將會產生一定程度的徐變,從而引起橋梁上拱或下撓,利用成橋后的徐變觀測數據可對橋梁進行全方位的評估,也可為后續運營健康提供依據。

目前,國內外已有多座橋梁安裝了成橋運營階段的健康監測系統,但在橋梁施工階段,則很少投入類似的在線監測系統[5]。隨著近年來智慧建造概念提出,橋梁施工信息化也成為必然發展趨勢,信息化系統具備實時采集、遠程控制等優點,可解決傳統施工測量費時費力、數據反饋周期長、測量精度受人為影響大等缺陷。

1 傳統連續梁線形監控方法

目前,在大跨度連續梁施工過程中,常用的線形監控方法有全站儀三角高程測量法、水準儀幾何水準測量法[6],這些方法操作繁瑣、現場計算工作量大、數據反饋周期長,從而導致測量工作效率低下,測量結果精度偏低。

數據采集后,運用MIDAS、ANSYS等進行結構建模有限元分析,一般采用1個時點的數據作為分析依據,若分析數據不夠充分,則存在一定的風險[7],常出現因監測問題影響工期的情況。

對于連續梁合龍后的徐變監測,因其監測周期長、監測頻率高,而常規測量方法受陽光、溫度等環境影響較大,且監測人員上橋測量時需通過簡易塔吊等提升設備,存在較大的安全風險。

2 連續梁線形監控信息化系統組成及功能

2.1 系統整體組成

為建立經濟、實用、可靠、精確的數字化數據高速采集系統,應從數據采集、數據傳輸到控制決策實現高度智能化與全過程自動控制,能滿足鐵路大跨度連續梁橋對施工控制的高精度、高效率與實時化需要[8]。

連續梁線形監控信息化系統由自動化采集模塊、數據傳輸模塊、數據處理平臺3部分組成,見圖1。

圖1 系統組成

由于采集傳感器布置較為分散,故各自設置了傳輸模塊,應力傳感器采集的應力數據,靜力水準儀采集的已施工段數據均通過無線傳輸到后臺,決策中心指令通過無線發送到前端測量機器人,整個系統可實現動態量測、數據處理,并指導現場測量放樣控制和偏差調整[9]。

2.2 各模塊組成及功能

(1)自動化采集模塊

數據采集手段是連續梁自動化測量系統得以實施的關鍵,不僅要考慮采集端的靈敏度,采集數據的精度,還要綜合考慮現場布設的可實施性、干擾因素、經濟成本等方面[10]。

通過技術調研,比選了多種采集設備,最終選擇組合采集模塊(包括靜力水準儀、應變傳感器、測量機器人等)。

靜力水準系統采用一體化模塊化的自動采集單元[11],并通過無線數據傳輸,實時傳送到計算機云端,實現整個沉降觀測數據的自動化采集,靜力水準系統見圖2。

圖2 靜力水準系統

應變傳感器實現應力數據的自動采集,傳感器振弦應變量及受溫度影響應在±0.01℃精度范圍內,應力傳感器見圖3。

圖3 應力傳感器元器件

(2)數據傳輸模塊

開發遠程雙向傳輸控制軟件,使施工控制中心通過網絡將橋梁施工現場的監測計算機連接起來,實現數據、文件的雙向傳輸,并保證網絡與數據安全[12]。數據傳輸模塊是利用無線模塊上已經集成Si4432外圍射頻電路,操作主控制器的SPI口對Si4432寄存器進行讀寫,即可完成無線通信功能。

(3)數據處理平臺

在大跨度橋梁施工控制中,應建立智能化控制決策專家系統和施工控制知識庫,施工控制決策系統,以實時動態的圖像控制結構獲取施工控制數據,以及演示和控制施工的過程。數據處理模塊主要實現數據分析,包括以下功能。

①計算各類線形任意里程樁號的中線和邊樁設計坐標;計算結構物特征點的設計坐標;計算線路任意里程樁號的中線設計高程,連續梁頂面任意位置的設計高程。

②梁各節段在不同溫度、應力、配重、自重及張拉前后等不同條件下的結構計算分析,與橋梁博士、MIDAS軟件、ANSYS軟件有限元分析軟件數據接口,最終提供連續梁各節段模板的立模高程修正值。

③計算測量機器人在施工現場任意設站的測站點三維坐標及定向方位角;實時計算各節段立模控制點的坐標,同時根據數據分析軟件提供的各節段立模高程修正值,實時計算各節段立模控制點的高程;控制測量機器人進行現場放工放樣及偏差調整。

④掛籃監測數據處理,包括結構的應力,傾斜、變形曲線。

⑤橋梁工后徐變觀測數據處理分析,變形曲線生成。

3 系統原理

3.1 連續梁線形監控信息化系統工作原理

現場傾角靜力水準儀、應變傳感器可采集已施工節段上控制標志的測量數據,并實時上傳到后臺控制中心;然后,對數據進行計算分析,結合設計線形數據,在人工建模進行有限元分析的基礎上,自動計算下一節段控制標志的中線位置數據及立模高程數據,并實時傳送到現場的測量機器人;高精度全站儀對各監測標志跟蹤測量,并實時將施工中測量偏差反饋,從而達到連續梁施工過程中實時、高效、準確的線形監控,確保施工過程中的質量和結構安全。

其工作原理見圖4。

圖4 連續梁監測系統原理示意

3.2 連續梁工況分析

在連續梁施工前,為確保成橋線形與設計線形一致,通過施工工序、設計參數分析各工況下連續梁結構受力狀況[13],在此基礎上,進行施工各階段的控制,使其滿足設計線形和結構受力的要求。

橋梁設計文件中,通常只包含最終的橋梁線形和內力狀態,而在各個中間施工狀態,則缺乏相應的控制目標。為確定施工階段各狀態的理論控制值,需要進行逆向分析,從成橋狀態開始逐步倒推各個階段施工時的理論控制值。建模分析時,對成橋模型上進行反向拆除,分析每個拆除部分對剩余結構影響,從而得到各個工況狀態下的結構位置和受力的狀況[14],作為施工各階段控制的理論目標值。

在施工推進過程中,梁的結構形式、荷載狀況以及邊界約束條件等都是動態變化的,在混凝土收縮徐變作用下,已施工段空間位置會發生偏移[15],在分析下一節段時,應充分考慮本節段結構狀態,進而逐一的對后續節段進行理論分析計算。計算流程見圖5。

圖5 連續梁分析計算流程

需要對初始狀態、零號塊施工、每節段懸臂澆筑、邊跨合龍、中跨合龍、后續二期恒載幾個階段進行分析,通過理論計算分析獲取到主梁高程、施工各節段理論值、各個節段的模板高程。

3.3 節段模板高程計算

在連續梁懸臂澆筑法施工中,當從零號塊向兩端進行對稱掛籃施工時,考慮到每節段梁的自重、混凝土自身性能引起的形變等諸多因素影響,梁的線形需在設計線形上設置一定的預拱度,以抵消撓度變形的影響,施工每一節段,都需要根據現場的實際情況進行動態的控制,以確保建成后橋梁的線形與設計線形的一致性。

在計算立模高程時,需要考慮的計算因素包括:該節段設計高程、節段自重、節段預應力、混凝土收縮徐變、施工臨時荷載、使用荷載、掛籃變形等,其中,節段自重、節段預應力、混凝土收縮徐變、施工臨時荷載、使用荷載通過理論分析獲得,掛籃變形值通過現場試驗得到。立模高程計算公式為

式中,Hlm為該節段立模高程;Hsj為該節段設計高程;∑f為節段自重、節段預應力、混凝土收縮徐變、施工臨時荷載、使用荷載幾項引起撓度的總和;fgl為掛籃變形值。

4 工程實例

4.1 項目介紹

新建鄭萬高鐵湖北段白河雙線特大橋采用(72+128+72)m混凝土連續梁,其梁體截面為單箱單室、變高度、變截面箱梁,底板、腹板、頂板局部向內側加厚,均按折線變化,全聯在端支點、中支點處設置橫隔板,橫隔板設置檢查孔洞。防護墻內側凈寬9.0m,梁寬12.6m,橋梁建筑總寬12.9m,梁全長273.6m,計算跨度為(72+128+72)m,中支點截面中心線處梁高10.0m。跨中18m直線段與邊跨17.8m直線段截面中心線處梁高5.5m;梁底下緣按二次拋物線變化。箱底寬6.7m,頂板厚45cm,底板厚48～100cm,腹板厚40～90cm,腹板按折線變化,底板厚度按二次拋物線變化。邊支座中心距梁端0.8m,中支座、端支座橫向中心距均為5.7m。

4.2 測量元器件布置

大跨度橋梁監測點位置和數量通過理論計算分析來確定,首先應進行優化分析,盡量將傳感器布置于最合理的位置,以減少傳感器設備的數量。撓度觀測點布置見圖6、圖7。

圖6 橋梁撓度測點布置

圖7 橋梁應力監測測點布置

元器件布置包括全站儀觀測標志、應力傳感器和靜力水準儀傳感器埋設,以及管道安裝等。靜力水準儀布置見圖8。

圖8 靜力水準現場布置

掛籃應力觀測裝置布置見圖9。

圖9 掛籃應力觀測裝置布置

以網絡為媒介,實現數據雙向網絡傳輸,將橋梁施工現場與橋梁施工控制研究中心緊密銜接,以實現測試數據高速傳輸與控制指令的網絡發布。高精度全站儀跟蹤測量見圖10。

圖10 高精度全站儀跟蹤測量各監測標志

4.3 數據響應系統

建立了一個完善的大跨度橋梁信息化施工監測控制管理系統,以實現從數據采集、數據傳輸到控制決策高度智能化與全過程自動控制,以及滿足鐵路大跨度連續梁橋對施工控制的高精度、高效率與實時化的需要。施工階段建模分析見圖11、圖12。

圖11 建模分析

圖12 施工過程有限元分析結果

該系統可以直接關聯有限元模擬計算結果,再運用施工控制原理性知識和經驗性知識,建立連續梁橋的施工控制決策專家系統,實現依據數據分析決策。

通過現場數據采集、理論計算,得到橋梁節段高程偏差值,以實時掌握測量數據的真實性,見圖13。

圖13 高程監測

應力傳感器可實時采集掛籃各部件受力情況,并及時傳入系統,確保施工安全,見圖14。

圖14 應力觀測數據

橋梁合龍后,靜力水準系統持續對橋梁徐變進行數據采集,判斷橋梁健康狀況,工后徐變情況見圖15、表1。

圖15 橋梁徐變觀測數據

表1 B17跨中觀測數據

續表1

由圖15、表1可知,橋梁在合龍后會持續發生徐變,可通過數據進一步分析橋梁變形趨勢和影響因素等。

4.4 施工精度控制

根據TB 10752—2018《高速鐵路橋涵工程施工質量驗收標準》和Q/CR 9603—2015《高速鐵路橋涵工程施工技術規程》中的控制要求,連續梁線形監測控制的目標值為:成橋后連續梁底面線形偏差值±3cm以內;掛籃定位高程與預報高程之差控制在±0.3cm以內;每個節段箱梁澆注完成后,頂面平整度誤差小于1cm;箱梁軸線誤差小于±1cm。

預應力索張拉完后,若梁端測點高程與監控方預報高程之差超過±2cm,需分析誤差原因并制定下一步調整措施;每節段的軸線施工前應進行復核,動態控制平面線形,確保平面線形與設計線形偏差在±2cm以內。

5 結語

介紹一種大跨度連續梁施工測量自動化系統,可實現測量數據實傳送、計算、分析等,提高了工效,減輕了人工計算的工作量,減少出錯概率。但該系統還存在一些問題需要解決。

(1)靜力水準儀的靈敏度受溫度存在一定的影響,特別是在氣溫很低的時候,靜力水準儀經常出不來數,下一步將研發外盒,降低其受氣溫的影響。

(2)常用的MIDAS、ANSYS等進行結構建模有限元分析的軟件暫時沒有辦法集成到管理系統中作為模塊調用,降低了整個系統的整體性。也是下一步需要克服的主要技術難點。

(3)利用全站儀進行自動化控制時,儀器架設的位置,如何實現固定形式的觀測,如何保護還需要進一步摸索。