烏梅河特大橋纜索施工智能監測

徐 峰，劉金義，宋軍璽，高 磊

(1.中交四公局第二工程有限公司，北京 101149；2.山東大學巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061)

1 引 言

隨著社會生產需求的提高，工程建筑在逐步向高度更高、跨度更大的方向發展。鋼管混凝土結構作為一種組合結構，具有承載力高、施工方便、抗震性能好等諸多優點，使用范圍越來越廣泛[1-4]。

針對鋼管混凝土拱橋的監測研究多集中在管內混凝土領域。蔡萍[4]利用力錘激勵鋼管外壁，利用外貼于鋼管外壁的壓電陶瓷片作為傳感器測試鋼管內壁與核心混凝土的界面剝離現象。丁睿[6]提出光纖優化組合，進行了脫空-裂縫傳感試驗和大比尺預應變鋼管混凝土界面脫空仿真試驗，建立了力-光本構關系，實現了對脫空發生發展的跟蹤檢測。檀永杰[7]分析了超聲波對測法在鋼管混凝土脫空區4種可能的超聲首波傳播路徑，并給出了4種傳播路徑的聲時理論計算公式，其結果達到定量檢測缺陷的目的。

針對纜索吊裝技術的研究多集中在理論計算與數值分析中。劉世明[8]以4片拱肋組成的鋼管混凝土拱橋王坡溝南橋為工程背景，采用midas Civil空間有限元分析軟件，對其纜索吊裝施工過程進行了結構分析，并對關鍵的施工工序進行了優化分析。李振國[9]建立了扣索索力的優化數學模型，并通過建立空間有限元模型，對落布溪大橋施工過程進行分析，得到優化的索力和相應的變形值和應力值。張建民[10]將最優化計算理論引入到鋼管拱肋的吊裝計算中，采用一階分析法對鋼管拱肋合龍時扣索的索力逆分析問題進行了研究，得到各扣索索力的最佳調整。李金志[11]運用midas Civil有限元分析軟件，建立玻璃溝大橋纜索吊裝體系模型，通過將力矩平衡法和有限元零位移法與優化影響矩陣法進行了對比計算分析，求解出了各吊裝節段的索力大小,然而現場的實測數據對于纜索施工更具指導意義。

目前也有部分利用健康監測系統對鋼管混凝土拱橋纜索吊裝展開研究。陳釩[12]采用由狀態監測，損傷報警和性能評估及輔助決策子系統組成的實時監測評估系統，分析和評估結構各類狀態、大橋的交通荷載狀況對橋梁的靜、動力效應實時監測。楊勇[13]采用靜態參數監測系統的各傳感子系統的部分監測結果表明東莞水道特大橋各監測指標處于正常的變化范圍。研究鋼管混凝土纜索施工需綜合考慮主承重索索力、錨碇變形、索塔傾斜與變位和扣索索力對施工環節的影響，本文通過采用智能監測系統的方式對上述因素展開測試研究。

2 工程概況

烏梅河特大橋主橋采用計算跨徑為300 m的上承式鋼管混凝土變截面拱橋，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數為1.55，矢跨比為1∶5，矢高60 m。半幅主拱圈采用3榀空間桁架結構，截面采用等寬度變高度，斷面高度從拱頂5 m變化到拱腳9 m(中到中)，半幅每榀拱肋橫向間距5 m，兩幅橋拱肋之間距離7 m。半幅橋拱肋之間設置橫梁，兩幅橋之間設置K字撐。上下弦拱肋均采用等截面鋼管，不同部位采用不同厚度。鋼管拱肋對接接頭采用內法蘭盤栓接、管外焊接的形式進行連接。管內灌注C55自密實補償收縮混凝土。

本項目大跨度拱橋的施工段落多，受力狀態和線型變化復雜，對于纜索系統(包括主索塔架)和扣索系統(包括扣索塔架)的強度、剛度及穩定性的要求高，在施工過程中必須進行有效的施工監測，保障施工安全，因此對烏梅河特大橋采用智能監測系統進行監測。

施工監測系統包括主承重索索力測試系統、錨碇變形測試系統、索塔傾斜與變位測試系統、扣索索力監測系統、5G數據上傳系統和遠程云平臺分析與預警系統組成，如圖1所示。

圖1 智能監測系統組成

3 智能監測系統

3.1 主承重索索力測試

主承重索索力監測采用高精度位移計、動態綜合采集模塊和無線傳輸系統實現。通過測試承重索1 m索長范圍內的長度變化反推應變量，進而得到主承重索的索力變化量。在橋梁雙側分別布置4個位移傳感器，傳感器布置方案如圖2所示。

圖2 傳感器布置示意圖

3.2 錨碇變形測試

在橋梁兩側錨碇橫向分別布置8個應變計，監測吊裝過程中錨碇的變形。采用綜合采集模塊采集并通過無線傳輸模塊將數據傳入監控平臺。

3.3 索塔傾斜和變位測試

采用我國北斗二代衛星+美國GPS衛星雙星雙系統進行定位，保障和提高了整個系統監測的安全性和穩定性。提供高質量的雙星四頻GNSS 測量數據，實時獲得毫米級精度的位置數據。精度為水平：<±2.5 mm+1 ppm，垂直：<±5 mm+1 ppm。

本項目在基準點架設北斗接收機，根據其高精度的已知的三維坐標，經過連續觀測從而得到吊裝過程中貴陽和黃平側索塔(變形點)坐標的變化量。

3.4 扣背索索力監測

索力監測采用穿心式力傳感器(錨索計)，量程分別為：0～3 000 kN、0～1 200 kN、0～200 kN，工作溫度為-40～90 ℃，精度：1%FS 0.5 ℃，定制合金鋼外形，內置智能芯片(電子編號，顯示物理量等)，采用進口高強度低松弛鋼絲，錨焊工藝，保證了本項目監測精度，測試與傳輸方案如圖3所示。

圖3 扣背索索力監測系統現場圖

3.5 5G數據上傳系統

DTU是專門用于將串口數據轉換為IP數據或將IP數據轉換為串口數據通過無線通信網絡進行傳送的無線終端設備。將DTU與所有采集設備相連即可將所有采集得的數據通過數據網絡發射至指定平臺，采用5G數據上傳系統。

3.6 遠程云平臺分析與預警系統

通過遠程云平臺分析與預警系統，將所有測點觀測結果無線傳入云端，基于強大的中央控制系統，實時輸出所有測點傳感器變化量，對監測施工及時預警，保障施工安全。遠程云平臺分析與預警系統原理圖如圖4所示。

圖4 遠程云平臺分析與預警系統原理圖

遠程云平臺分析與預警系統可使各參與施工的單位隨時隨地通過現場顯示平臺、PC端平臺和移動端平臺查閱相關數據。

4 測試結果

由于現場數據量龐大，因此本文選取首吊監測結果進行介紹。

4.1 主承重索索力測試

主承重索索力在貴陽側的測試結果如表1、圖5所示。

表1 索力測試結果

圖5 索力變化時程曲線圖

由于纜索卡扣和纜索存在微小滑移、纜索與索塔軌道間摩阻、兩根錨固纜索索力不同等原因，實測索力值相較理論值較小，貴陽側W2號實測索力值偏高，后續還需進行追蹤監測。此外，監測結果表明，所有實測索力均遠小于極限索力，纜索的安全系數較高。由圖6可知，吊裝期間索力變化較大，分析其原因是由溫度變化引起的，最大索力值為極限值的8.05%。

4.2 錨碇變形監測

錨碇變形測試結果見圖6，吊裝過程中錨碇應變較小，最大應變為40 μs，開裂風險較小。

圖6 貴陽側應變曲線

4.3 索塔傾斜和變位監測

首吊(吊重1 400 kN)時貴陽側縱橋向最大變化量39.05 mm，索塔傾斜和變位控制較好。結果如圖7所示。

圖7 索塔變位時程曲線圖

4.4 扣索索力監測

扣索采用直徑為15.2 mm普通鋼絞線，極限強度為1 860 MPa。鋼絞線截面積取140 mm2，單根破壞最大承載力為260 kN。以前8段為例，列出各索力匯總表如表2所示。

表2 貴陽側上游索力匯總

5 結 論

針對我國鋼管拱橋施工期的健康檢測問題，依托烏梅河特大橋，通過主承重索索力測試系統、錨碇變形測試系統、索塔傾斜與變位測試系統、扣索索力監測系統、5G數據上傳系統和遠程云平臺分析與預警系統組成智能監測系統。及時告之橋梁管理工作者目前橋梁的健康、安全狀況，便于決定下步施工計劃是否需要調整。根本目的是盡量減少人為主觀因素評判橋梁的健康狀況，達到客觀、科學評判橋梁的目的，有助于減少安全事故，進一步提升橋梁養護、管理水平，積極的推動橋梁智能化發展。