張家港特大橋基于BIM的橋梁健康監測系統

秦中遠

（蘇州市高速公路管理有限公司 江蘇蘇州 215000）

1 BIM監測系統概述

1.1 BIM應用背景

既往橋梁監測與養護評估系統使用過程中，其監測數據往往不能直觀展示，不利于管理人員進行橋梁養護，需要探索一種新的監測系統，使其監測信息比較容易供管理人員使用［1］。BIM由于其三維可視化屬性和強大的信息集成能力，對于橋梁監測信息表達方式提供了有利條件。因此，目前開始將橋梁健康監測數據與視化技術BIM技術相結合，利用BIM技術作為媒介，可視化展示監測信息，有效提高了養護管理人員的效率［2］。

1.2 BIM應用概述

建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）是一種數據化工具，可用于工程設計與建筑建造，將建筑與工程建造的相關數據集中到管理系統中來，從而形成數據模型，并在系統內傳遞數據信息，維護運行項目的相關參數明細，形成建筑工程完整的運行流程［3］。工程技術人員可以通過系統參數和信息及時了解項目的整體狀況，提高處理效率，拓寬溝通渠道。

在橋梁監測中，BIM 系統將橋梁的各類數據信息存儲起來，通過數字技術手段來實現，每一個工程項目的基礎都是這個數據信息模型，每一項業務處理，每一個工作流程，都在系統中流轉和記錄。橋梁信息數據模型并不是單純將數據進行集合，它也是一種信息化模式，能夠加強數據信息的使用方式和適用面，在橋梁健康監測及養護管理中，能夠使用數字化的方式來進行展現，提高了橋梁監測及運維管養的效率及質量［4］。

1.3 BIM應用思路

1.4 BIM模型建立

通過專業BIM建模軟件，依據工程應用需求，建立橋梁的BIM模型。本項目BIM模型滿足橋梁監測的運營需求，將橋梁構件及相關傳感器的數據信息及屬性導入BIM模型［6］。

模型創建完成后，通過系統管理平臺與建模軟件之間的格式互通插件，轉換成平臺可以接收的模型格式，通過系統平臺的模型導入功能，將格式轉換后的模型導入到平臺中進行后期的應用。

（1）模型輕量化處理：模型創建完成后，通過系統管理平臺與建模軟件之間的格式互通插件，實現模型格式的輕量化轉換，去除模型多余的圖形信息及冗余信息，但保留屬性信息，即進行輕量化處理。輕量化轉化可獨立進行，不依賴于外部服務，通用自有BIM轉化平臺實現模型轉化，可確保模型等相關數據信息的保密性。（2）模型三維瀏覽導航：導入的模型使用系統平臺自帶的模型瀏覽導航工具對項目模型進行瀏覽觀察。（3）集成：模型構件信息可與結構信息、監測信息等進行集成合并，實現多維信息與BIM 模型的管理與集成。

1.5 BIM監測管理

橋梁健康監測系統應基于BIM技術建立三維數字模型，實現橋梁監測的可視化管理，通過橋梁的三維BIM模型顯示監測相關信息，包括傳感器的編號、狀態（正常或異常）、位置、類型（傳感器名稱）、數據（當前實時數據）、監測參數名稱等信息。

2 橋梁概況

張家港特大橋位于G15W-常臺高速，建成于2003年12月，全長1007.56m，全橋共計37 跨，橋布置為7×25m 預應力混凝土T 梁+7×25m 預應力混凝土T 梁+7×25m 預應力混凝土T 梁+（40+70+40）m 預應力連續箱梁+7×25m 預應力混凝土T 梁+6×25m 預應力混凝土T梁。

上部結構：預應力混凝土T 梁、預應力連續箱梁，GJZF4350×650×67 支座、GPZ12500DX 支座、GPZ12500GD 支座、TCYBF4Φ350×53 支座、TCYBΦ 400×75支座。

下部結構：樁柱式橋臺，鉆孔灌注基礎。

墩伸縮縫：瀝青混凝土鋪裝，D80、D160 型毛勒伸縮縫。

從2006年至今，我國秸稈直燃發電并網裝機規模每年以26%的平均增速快速上升。經過十幾年的發展，行業集中程度逐漸提高，先后形成以凱迪、國能為龍頭，琦泉、光大、理昂等規模較大的企業、5大電力集團下屬新能源企業以及眾多參與者并存的市場格局。2015年，隨著地方政府加大環境治理和秸稈田間禁燒力度，在鼓勵秸稈綜合利用政策的驅動下，秸稈直燃發電技術再次受到關注，除老牌企業繼續擴張外，長青集團、上海電氣、理昂生態、光大國際、北控集團等企業均加入了市場布局[20-23]。

3 結構計算分析

3.1 模型建立

根據《省道主干線高速公路蘇嘉杭線（B4標）K18+100～K23+000工程竣工圖第三冊》（路橋集團第一公路工程局，2003.5），采用有限元軟件，建立了張家港特大橋計算分析模型進行結構驗算。有限元模型如圖1所示。

圖1 張家港特大橋結構有限元仿真分析模型

模型參數如下：（1）主橋箱梁采用C50 混凝土，主墩墩身采用C30 級混凝土，樁基采用C25 級混凝土；（2）預應力鋼絞線采用Φj15.2高強度低松弛鋼絞線（標準強度1860MPa）。

3.2 結構響應特征

張家港特大橋結構健康監測針對運營期的結構安全監測管理，傳感器布置的初始狀態即為結構的成橋狀態，因此，單就各個監測項目而言，相關監測物理量均為成橋狀態下的變化量。因此，在布置相關測點時，應綜合考慮結構成橋內力狀態，并以后期運行荷載作用下結構響應較為明顯區域為指向靈活布置。

張家港特大橋在活載作用下結構響應特征主要包括如下方面。（1）張家港特大橋邊中跨比略偏小，導致活載作用下中跨跨中正彎矩偏大，中跨下撓較明顯。（2）在活載作用下，結構正彎矩以中跨跨中截面、邊跨跨中附近截面最大，中跨L/4截面次之；結構負彎矩以中支點截面最大。（3）在活載作用下，結構正應力以邊、中跨跨中區域最大。（4）在活載作用下，結構撓度以中跨跨中截面最大，中跨L/4截面和邊跨跨中附近截面次之。（5）使用荷載作用下，結構主拉應力在中跨L/4附近截面最大，邊跨L/4附近截面次之。

根據有限元模型分析結果及定檢資料整理結果，張家港特大橋結構健康監測重點區域為主跨跨中和四分點、邊跨跨中附近、中支點墩頂等區域。

4 測點布置

張家港特大橋各個監測項目主要使用的監測設備如表1所示。

表1 張家港特大橋結構健康監測主要設備表

4.1 應力（溫度）監測

根據張家港特大橋結構有限元計算結果、實際工程經驗及相關規范要求，選取監測橋梁主跨跨中、1/4和3/4 跨截面、邊跨跨中截面等5 個截面，每個截面布置5 個測點，左右幅橋梁對稱布置，全橋共計50 個測點。

4.2 橋梁線形監測

張家港特大橋根據結構受力響應特征分析結果，結構線形監測測點應確保對應監測結果能表征最大變形量。根據結構分析、儀器算法校準，本橋在主橋中跨8 分點布置實時線形監測測點，即每一幅橋梁中跨布置測點9個，全橋共計布置18個橋梁線形監測測點。

4.3 結構裂縫監測

既有結構裂縫監測測點現場布置按照以下條件優選。（1）應優先選擇形態相對嚴重的裂縫，如縫寬較大、縫長較長等。（2）應優先選擇與結構受力性能相關的裂縫。

結合本次定期檢測的結果，選擇結構主拉應力較大區域（邊、中跨L/4 截面附近）、正負彎矩較大區域（邊、中跨跨中截面附近，中支點截面附近區域）布設裂縫計，全橋共計30 個測點，對結構裂縫進行長期實時監測。

4.4 交通荷載監測

交通荷載監測現場布置按照以下條件優選。（1）斷面布置于橋頭附近斷面（路面）處。（2）斷面所在路面縱坡宜與橋上相近。（3）斷面所在道路前后100m 范圍路面平整度等行駛條件與橋上相同。（4）斷面不宜布置于彎道、車流匯交口、交叉路口、車輛變道區等影響車輛正常行駛的區域附近。

根據現場道路交通環境踏勘結果，結合橋梁通行車輛交通流向分布情況，張家港大橋所處道路整體平曲線較大，無急彎，西側（大樁號側）整體道路平順，東側（小樁號側）橋頭已有交警監控設備，應避免設備設置沖突。因此，在張家港特大橋西側橋頭道路區段布置交通荷載監測系統，含行車道和緊急停靠車道，共計雙向6 個車道，對應稱重斷面距離橋梁伸縮縫距離約20m，樁號K17+050。

5 監測系統用戶界面

監測系統由諸多子系統及功能模塊組成，若各子系統及功能模塊均采用各自的用戶界面子系統，用戶操作就極為不便，因此，必須建立統一的用戶界面子系統。基于BIM的用戶界面子系統主要實現如向用戶提供操作及管理界面、向用戶提供數據展示、提供系統的遠程訪問接口、向用戶提供報告等功能。

基于BIM 的用戶界面子系統本著功能強大、使用方便、簡潔高效、面向管理、兼顧專業的原則進行設計，該子系統中主要包含一個界面框架和多個功能模塊，分別是設備狀況、實時數據顯示、監測預警情況查詢、數據分析功能、年度報表功能等。

該子系統部署在Web 服務器上，采用Java 語言開發，該軟件系統運行在WebLogicJ2EE 容器中，通過集群方式，提高系統并發的訪問能力。由于基于BIM 的用戶界面子系統需要用戶遠程訪問，所以，該子系統采用基于B/S 軟件架構方式，能夠滿足系統的運行特點和功能要求。張家港大橋BIM監測系統用戶界面如圖2所示。

圖2 B IM 的用戶界面子系統

6 監測系統數據分析

本階段，張家港特大橋健康監測系統傳感器子系統、數據采集子系統等均正常工作。融合結構安全監測數據及人工外觀檢測結果，張家港特大橋主橋總體技術狀況評定為2 類。各監測項及人工檢查結論如下。

（1）結構線形：實時位移測點數值穩定，將濾波分析得到的車載位移實測值和監測車載位移理論值進行對比分析，計算結果表明，與設計剛度相比，橋梁結構實際剛度具有一定的安全儲備。（2）橋面線形：橋面線形測量值與歷年橋面線形測量值相比有所波動，但變化量較小，變形趨于平穩。（3）結構應力（溫度）：當前荷載作用下，各應力測點數據較為平穩，溫度監測數據隨環境變化正常。（4）結構裂縫：既有裂縫監測測點數據平穩，未見裂縫進一步發展。（5）交通荷載：結構關鍵控制截面效應計算結果分析表明，當前階段，橋梁實際車輛荷載通行水平未超出設計狀態。（6）人工檢查：頂板存在縱向裂縫，箱外底板存在縱向裂縫、橫向裂縫，主橋箱梁腹板存在縱向裂縫、斜向裂縫，支座鋼構件存在銹蝕，伸縮縫槽口堵塞、錨固區混凝土開裂、橡膠條損壞。

7 結語

蘇嘉杭高速公路張家港特大橋橋梁監測數據接入系統平臺完畢，開始試運行。目前，張家港特大橋橋梁健康監測系統運行狀態良好。