基于物聯網的懸澆箱梁橋施工監控技術分析

摘要 大跨徑變截面連續箱梁橋施工中，過程控制至關重要，直接影響成橋質量。文章以某公路懸澆橋為例，首先運用Midas Civil建立有限元模型，通過數據分析與實時參數調整，實現精準控制；然后結合物聯網技術，實現橋梁的實時監測與智能化，保障施工安全與成橋性能。結果顯示，橋梁合龍精度與應力狀態均達標，驗證監控策略有效。該研究確保橋梁安全與設計線形一致，為同類橋梁施工提供科學監控體系與技術范例，具有顯著的工程實踐意義。

關鍵詞 有限元模型；應力狀態；線形；物聯網

中圖分類號 U415 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0005-03

0 引言

大跨徑懸澆箱梁橋的建設過程極為復雜，涉及眾多工序與多變因素，對橋梁內力分布與線形控制有顯著影響。若微小偏差不能得到有效控制，將會累積并導致嚴重的質量問題和安全隱患[1-2]。為確保懸澆箱梁橋的施工質量和安全性，全面精細的施工過程監測至關重要。該文以某公路懸澆梁橋為例，依托深厚理論基礎與先進技術，采用預測控制法[3]作為主要施工控制手段，通過綜合運用正施工法與倒施工法的迭代計算技術，構建精準的理論預測模型，并借助最小二乘法等[4]參數識別工具進行持續的優化調整。同時，國內豐富的實踐經驗、先進的結構響應測試技術及成熟的有限元計算軟件，均為施工控制提供了強有力的技術支撐[5-6]。

傳統橋梁監控系統依賴人工，受主觀影響且效率低。該公路懸澆梁橋工程引入物聯網技術，構建智能化施工監控系統。物聯網通過互聯網連接物理設備，利用傳感器、軟件和網絡，實現高效智能的數據收集與分析[7]，其核心在于設備互聯與通信，實現智能化管理[8]。物聯網技術融入橋梁監控，是高效智能監測的必然選擇，能夠構建全方位的安全監測系統，以確保橋梁安全。物聯網在橋梁監測領域的廣泛應用，為橋梁安全建設與運營提供堅實保障，成為推動未來發展的重要力量。

該文以（55+95+55）m變截面連續箱梁橋為背景，橋寬11 m，橋臺為肋式與板凳式，橋墩為箱形，基礎采用鉆孔灌注樁。上部為單箱單室連續剛構，中部支點的梁高5.2 m，邊跨直線段及主跨中點2.4 m，高跨比分別為1：18.3和1：39.6，梁高變化遵循二次拋物線。箱梁橫截面為單箱單室直腹板，頂板寬11 m，底板寬6 m，兩側翼緣懸臂延伸2.5 m。

1 施工監控仿真計算

1.1 結構計算模型

該文采用橋梁專業有限元軟件Midas Civil，對橋梁結構進行離散化建模，含89個梁單元和90個節點，并隨監控進展適時調整，確保模型精準反映橋梁的實際構造與受力。通過模擬計算預測各階段的施工位移，實施正倒裝閉合計算并驗證實際位移，為施工監控提供理論參照，以確定實際的施工高程。同時，對比現場位移數據與理論值，及時發現偏差并進行優化調整，確保施工精準。

1.2 模型參數誤差分析與修正

橋梁施工監控通過四大核心步驟確保精準控制，分別如下：

（1）監測。利用先進技術和實時監測的關鍵參數，如結構變形和應力變化，為后續分析提供基礎。

（2）數據收集。持續收集現場數據，真實反映橋梁狀態。

（3）偏差糾正。根據監測結果調整高敏感性的參數，縮小理論計算與實際測量的差距。

（4）預測?；谡{整參數預測下一施工階段，確保連續性和準確性。

四個步驟相輔相成，形成閉環系統，通過事前預測、事中控制及事后修正，實現對橋梁施工全過程的精確監控和及時調整，確保施工質量和安全[9-10]。

2 基于物聯網的橋梁監控系統

物聯網技術融入橋梁監控，實現智能化、網絡化，實時監測橋梁結構的受力、變形，精準評估安全性，預警潛在風險，構建全方位的安全體系。采用無線傳感器網絡，廣泛部署傳感器，以全面獲取結構數據，其低功耗、高性價比的優勢促進了健康監控云平臺的發展，使監測評估更智能、更高效，不斷優化現有體系，為未來橋梁建設提供完善的監控方案。

2.1 橋梁監控系統

橋梁監控系統集傳感器、數據采集與傳輸、數據處理及安全預警于一體。

（1）傳感器系統。主要分為結構強度、震動、荷載及靜動態監測四大類，利用應變儀、測力計、平衡加速度傳感器、風度儀、強震儀、傾角儀、位移計和GPS等設備，全面監測橋梁的應力應變、振動沖擊、自然荷載及沉降傾斜等狀態。

（2）數據采集與傳輸系統。借助物聯網技術和通信線纜，實時采集并傳輸信息至健康監控云平臺，利用云計算和大數據處理能力實時分析橋梁的健康狀態。

（3）數據處理系統。智能化篩選并分析大量的監測數據，提高處理效率。

（4）安全預警系統。通過實時界面提示、信號、短信等方式進行預報警，包含報警模塊和報警設置模塊，根據預設值進行不同等級的預警，分為紅色（危險）、橙色（警戒）、黃色（異常）和綠色（正常），分別對應不同級別的安全隱患，以確保橋梁安全。

2.2 監控云平臺的搭建

物聯網技術為橋梁監控帶來了革新，信息的采集與傳輸主要依賴通信線纜和無線傳感器網絡，采用Zigbee協議確保數據同步傳輸。數據通過樹形網絡結構收集，經無線網絡發送至匯集節點，再通過網關節點利用GPRS網絡傳送至健康監控云平臺，實現實時監控。

云平臺作為橋梁監控系統的核心，具備三大功能：橋梁基礎信息管理，構建全面的橋梁信息庫；實時橋梁監控，接收并展示傳感器數據，觸發報警；橋梁承載評估與預警，運用大數據處理技術評估橋梁的安全性，提前識別風險。

云平臺架構由硬件層、數據層、組件層、應用層及服務層構成。硬件層提供基礎設施支持，數據層確保數據的完整性與即時性，組件層實現跨品牌傳感器的快速接入，應用層提供橋梁監測應用系統，服務層專注于預警信息管理、智能數據分析與評估。

在軟件應用層面，云平臺涵蓋數據采集與處理、數據庫、用戶界面及移動端應用子系統，共同構成軟件核心，為橋梁健康監測提供全面支持。

3 施工監控技術實施

3.1 線形監測

在施工過程中，隨著主梁懸臂的長度變化，結構內力和主梁標高也處在實時變化中。根據大跨度連續梁橋的結構構造及受力特點，結合過往控制經驗，連續梁橋施工控制主要進行線形控制與應力控制，對主梁標高與應變進行監測，兼顧結構溫度量測。當應力與線形控制出現沖突時，在不影響結構安全性的前提下，調整結構線形處于可控范圍，確保橋梁順利合龍。該橋線形監測采用光纖超聲波三維位移傳感器。為控制懸澆箱梁橋各梁段的標高，在每個梁段的端部截面混凝土頂部設置3個位移監測點。

3.2 應力監測

結構安全是施工過程中的重點關注問題。監測施工過程中結構的應力變化與設計應力是否吻合，及時發現異常情況，盡早調整后續工序。按照連續箱梁的結構與受力特點，該橋共布置8個應力監測關鍵截面，其中每個截面箱梁上各布置4個光纖光柵溫度傳感器、4個無線應力傳感器，頂底板各2個監測截面，主要包括了懸臂根部、中跨1/4和3/4截面、邊跨L/2截面。

3.3 主要施工階段線形監測成果

連續梁橋跨結構的合龍是工程成功的關鍵，其精度是衡量施工控制成效的重要指標。因橋面設計存在高差，合龍誤差需排除坡度導致的標高差異。跨中合攏前，主梁梁面標高數據（如表1所示）顯示，上下游測點高差值（0.020 m）在扣除坡度影響（0.014 m）后，合攏精度為0.006 m，符合要求的0.020 m以內，這表明施工控制技術有效確保了主梁合龍精度及結構的順利合龍。

梁段施工涵蓋模板安裝、混凝土澆筑、預應力張拉及掛籃前移等步驟。表2對比了合龍前主梁關鍵節段的實測與理論撓度，后者則是基于有限元模型進行的計算。結果顯示，同一斷面梁段3測點的實測撓度相近，且因遵循預拋值設置，實測與理論高程的偏差小于20 mm，滿足施工控制標準。

梁段合龍并完成橋面鋪裝前，全面測量主梁標高。如圖1所示，實測與設計標高的對比顯示，線形高度一致，偏差小于20 mm，達成施工控制目標。因納入預拱度考量，實測標高略高于設計。

3.4 應力控制效果

在懸澆箱梁橋施工中，應控制截面測點的主要受壓。以1#墩箱梁根部截面為例（負值表示壓應力），如圖2所示，各施工條件下的最大壓應力（-9.7 MPa，無拉應力）均低于設計極限（-22.4 MPa），且實測應力趨勢與理論預測相符，確保了結構安全。

4 結論

（1）利用Midas Civil軟件建立了精細有限元模型，結合實時監測，確保了施工安全與成橋性能，應力狀態良好，驗證了監控策略的有效性。

（2）部署多種傳感器，結合物聯網技術，構建了健康監控云平臺，實現橋梁狀態的實時監控。

（3）中跨合龍段的計算結果與實際高差分別為0.014 m和0.020 m，合龍精度為0.006 m，滿足要求，驗證了理論模型與施工控制技術的可靠性。

（4）持續應力監測確保了結構安全，實測應力保持在限值范圍內，與理論預測相符，保障了橋梁整體安全。

參考文獻

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