大型橋梁工程施工和運營一體化融合監測方法研究

陳立 徐軍榮

摘要：簡述了之江大橋工程概況，介紹了橋梁施工和運營監測系統以及特殊事件監測管理，闡述了施工和運營的一體化融合監測方式及其指標體系，通過之江大橋位移指標的一體化融合監測，展現了其特殊的優越性，具有較好應用價值。

關鍵詞：大型橋梁；施工與運營；融合監測；方法研究

0? ?引言

近些年來，國家有關部門對橋梁工程施工與運營監測越來越重視。拱形鋼塔斜拉橋作為一種具有復雜結構形式和較高技術要求的橋梁類型，對其施工和運營過程中的監測方法提出了更高的要求。為了實現對大型拱形鋼塔斜拉橋施工和運營狀態的準確監測和評估，建立施工與運營一體化監測方法顯得尤為重要。

1? ?工程概況

之江大橋（又稱錢江七橋）是中國浙江省杭州市一座跨越京杭大運河的拱形鋼塔斜拉橋，也是中國第一座擁有雙層公路和高速鐵路的斜拉橋。主橋全長4780m，其中主跨長2288m，是當時世界上跨度第二大的斜拉橋。主梁采用榀形鋼箱梁結構，總質量達到11500t，是目前世界上懸索斜拉橋中自重最大的梁式結構。主橋索塔高205.6m，是當時世界上最高的斜張橋塔。主橋斜拉索采用雙向斜拉形式，每一側都由70根斜拉索組成。斜拉索采用錨固式端頭固定，能夠強制性鎖住整個索束，防止塔身出現位移并增加整座橋的安全性。

2? ?橋梁施工和運營監測系統

2.1? ?橋梁施工監測系統

施工監測系統的作用是對斜拉橋梁施工過程進行實時監測，以確保施工質量和施工安全。具體包括以下5個方面：一是建筑設備監測。監控各種與施工相關的設備，包括起重機、車輛、鉆機、爆破機等，以確保它們的運行安全和正常使用。二是施工現場監測。利用視頻監測系統對斜拉橋梁施工現場及其周邊環境進行監測，并對施工現場人員的作業情況進行監督，以便及時管理。三是施工測量監測。測量斜拉橋梁結構在施工過程中的變形和位移等參數，對監測數據進行實時分析，確保施工質量和橋梁結構安全。四是施工安全監測。監控施工現場的安全狀況，包括施工過程中的安全隱患和施工過程的安全狀態，以便及時采取應對措施或應急預案。五是數據分析決策。對收集到的各類監控數據進行匯總、處理和分析，形成相關文件和圖表，以便實時掌握施工進度和質量情況，及時做出決策。

2.2? ?橋梁運營監測系統

橋梁運營監測系統是一種旨在提高橋梁運營安全性和可靠性的自動化監測系統。通過傳感器并采用無線通信技術，實時監測橋梁的結構變化，采集橋梁的結構應變和振動，天氣的溫度和濕度，河水的流量及水位等各種重要數據。通過數據傳輸、數據存儲和數據處理，轉化為有用的信息，并以圖形化的界面提供給用戶實時查看和分析。橋梁運營監測系統可以提供橋梁運營全過程的實時監測，通過監測數據對橋梁的結構狀況、承載能力、安全性能、磨損損壞、環境影響等多方位運營狀況進行評估，從而加強橋梁運營期間的管理，及時對橋梁進行維護保養、改進橋梁管理工作。此外，橋梁運營監測系統還有利于發現橋梁上的突發事件并做出快速反應[1]。

2.3? ?特殊事件監測管理

針對橋梁在運營過程中可能遭受的自然災害、船舶撞擊、超重車通行等突發性損傷與破壞，本文提出了一套系統化的橋梁發生特殊事件管理體系[2]。這個管理體系包括對突發事件發生時橋梁狀態的監測，對特殊事件的安全性分析、預警與應急措施，以及后期維修養護建議等。

該特殊事件管理體系需要利用先進的橋梁運營監測系統，通過實時監測橋梁運營狀態來實現。高精度的傳感器將監測到的橋梁發生特殊事件時的橋梁振動和變形等數據，傳輸給控制器并記錄下來。針對橋梁特殊事件數據，應用專業的風險評估方法識別特殊事件的的性質和嚴重程度。橋梁運營期間間特殊事件管理體系如圖1所示。

3? ?施工和運營的一體化融合監測

3.1? ?融合的含義

橋梁施工監測系統與運營監測系統融合，是指將二者的監測工具、監測方法和數據融合在一起，以實現對橋梁施工和運營狀態的全面監測和管理。這種融合起來的系統，將幫助橋梁工程領域實現更高效的監測，管理和服務，提高橋梁的可持續性和使用性能。在融合系統中，相關人員能夠更好地監測橋梁施工的過程，能夠及時改進施工質量并優化運營過程。這種融合系統的開發需要集成和結合多種技術和方法[3]。

3.2? ?硬件融合

在施工監測與運營監測系統的融合中，硬件融合是必不可少的。為了保證施工監測和運營監測的無縫銜接，需要選用具有相同通訊協議和數據格式的硬件設備，例如傳感器、數據采集儀、控制器等。在選用硬件設備時，還需要考慮設備的可靠性和耐用性，以保證設備的穩定性和持久性。

3.3? ?軟件融合

在施工監測與運營監測系統的融合中，軟件融合也非常重要。為了保證器無縫銜接，需要使用具有互相兼容的軟件平臺或軟件接口，以實現數據的實時傳輸和共享。例如，可以采用標準化的數據格式和交互協議，并利用開放式的API接口，確保不同軟件之間的數據交換和共享方便快捷。

3.4? ?傳輸方式融合

在施工監測與運營監測系統的融合中，傳輸方式的融合必不可少。為了實現數據的實時監控和共享，可采用多種傳輸方式進行數據傳輸，例如有線傳輸、無線傳輸、互聯網傳輸等。在選擇傳輸方式時，需要同時考慮傳輸速度、傳輸距離、傳輸穩定性以及數據的安全性等因素，以確保數據傳輸的實時性和完整性。

3.5? ?數據融合

在施工監控與運營監測系統的融合中，數據融合也是重要的方面。通過將施工監測和運營監測所涉及的數據進行有機融合，建立一個全面而完整的數據模型，用于進行系統的分析和評估。同時，為了保障數據的準確性和可靠性，需要建立定期的數據清理和更新機制，并采用多種數據分析工具進行數據挖掘和分析，以獲取更為精準和有效的數據分析結果。

4? ?一體化融合監測指標體系

4.1? ?硬件指標

用于之江大橋施工和運營的一體化融合監測系統的硬件，包括傳感器、采集器、通信模塊、控制器、計算機等。這些硬件的關鍵指標包括靈敏度、分辨率、精確度、可靠性和穩定性等。其中靈敏度、分辨率和精確度是指傳感器等硬件對測量值變化的反應能力，能夠捕捉到最小測量值變化，測量值與真實值之間的偏差最小；可靠性和穩定性是指硬件在長期使用中的故障率低，且能適應各種不利環境條件。因此，在建設中需要選擇具有高性能和可靠性的硬件設備，以確保監測系統的準確性和可靠性。

4.2? ?軟件指標

用于之江大橋施工和運營的一體化融合監測系統的軟件，包括計算機軟件及其功能。這些軟件的功能包括數據采集、實時監測、數據處理、數據存儲、數據分析和報告生成等。重點指標包括實時性、準確性、可靠性和穩定性等。其中，實時性是指軟件能夠及時處理和響應各種警報，準確性是指軟件能夠正確地處理和分析不同類型的數據，可靠性是指軟件能夠在長期運營中正常工作，穩定性是指軟件能夠在各種環境條件下穩定工作。為了確保軟件的高效、準確和可靠性，應選擇性能穩定的計算機。

4.3? ?傳輸設備指標

用于之江大橋施工和運營的一體化融合監測系統的傳輸設備，包括通信傳輸設備、網絡設備和存儲設備等。這些傳輸設備的關鍵指標包括傳輸速率、帶寬、穩定性和可靠性等。傳輸速率和帶寬是指設備傳輸數據的速度和容量，穩定性是指設備在各種環境條件下的穩定性能，可靠性是指設備在長期使用中的故障率。在選擇傳輸設備時，需要認真考慮傳輸設備上述性能指標。

4.4? ?數據格式指標

用于之江大橋施工和運營的一體化融合監測系統的數據格式，包括測量參數、單位、時間和地理位置等元素。數據格式的關鍵指標包括數據精度、數據壓縮率、數據可讀性和數據傳輸效率等。數據精度是指數據的測量精度，數據壓縮率是指將原始數據壓縮為較小文件的比率，數據可讀性是指數據易于理解和處理，數據傳輸效率是指數據在傳輸過程中的速率和有效率。為了確保數據的可靠性、精度和傳輸效率，應該采用規范化、標準化的數據格式，并對采集、處理和傳輸的數據進行驗證和校驗。施工和運營融合監測的指標體系如圖2所示。

5? ?之江大橋位移融合監測案例

5.1? ?位移監測實施方案

之江大橋的位移一體化融合監測的主要部位是懸索塔、橋塔、橋面，監測內容主要采用位移傳感器監測橋體的撓度變化。為了確保監測數據的準確性和可靠性，要充分傳感器的安裝位置、數量和布局，監測數據的處理和分析方法，數據的實時傳輸和存儲等方面。

融合監測系統采用靜力水準儀和GPS定位，具有經濟適用、準確性高、實時監測等特點。該監測系統對之江大橋的撓度進行22個測點的實時監測，其中18個測點使用靜力水準儀進行監測，4個測點使用GPS進行監測。該融合監測系統融合監測點布置如圖3所示。

圖3中，圓點代表靜力水準儀測點，三角代表GPS測點（不包括塔頂的2個GPS測點）。將2臺靜力水準儀設置在3#墩上方，分別作為上下游獨立測試組，單個靜力水準儀可測量橋梁整體撓度和線形。

跨中位置最敏感，因此布置了2個GPS測點，可以測量跨中撓度、橋梁縱向和橫向位移。GPS測量數據可與跨中靜力水準儀的測量數據進行對比和自診斷，確保測試數據的準確性。

5.2? ?位移監測實施方法

5.2.1? ?選擇和布置傳感器

根據大橋實際情況，選擇合適的傳感器并合理布置。選擇的傳感器應與實測參數和要求相匹配，一般包括萬能應變計和傾斜計。在懸索索塔和橋塔部分，使用多個傳感器進行監測，以確定不同位置的變形情況。

5.2.2? ?數據處理與分析

監測數據采集后，需要對數據進行實時處理和分析。其中包括對位移數據、溫度數據、風速等自然環境因素的數據進行處理、清洗。還需要對數據進行二次處理，例如把原始數據進行差分處理，得到速度、加速度等變量，然后進行糾正。

5.2.3? ?數據傳輸和存儲

數據傳輸和存儲應具備實時性和可靠性。傳輸采用無線方式，監測數據直接通過傳感器發送到數據中心。數據存儲采用分布式方式或云存儲方式，確保數據安全性和便捷性。

5.2.4? ?損傷識別

通過對撓度監測數據的處理和分析，結合橋梁結構設計和施工記錄，進行損傷識別。通常使用小波變換、人工神經網絡和遺傳算法等處理方法進行損傷識別。

6? ?結束語

本文以之江大橋工程為例，探討了施工和運營兩個監測系統的一體化融合監測方法，提出了施工和運營融合監測方式、指標體系和特殊事件監測管理的新概念，通過實施體現了一體化融合監測系統的智能化水平，有提高了監測效率效，降低了監測成本，具有良好應用前景。

參考文獻

[1] 李若濤，劉毅，拱形鋼橋塔斜拉橋結構健康監測與評估研究[J].世界橋梁，2018，46（6）：88-92.

[2] 鄧江流，論測試技術在斜拉橋改造中的實踐[J].工程抗震與加固改造，2021，43（6）：172.

[3] 王文強，王佐才，辛宇.傾斜式拱形鋼塔斜拉橋施工力學性能分析[J].安徽建筑，2021，28（7）：160-163.