G75欽江大橋整體提升自動化監測系統開發與應用研究

關鍵詞：拱橋；整體提升；施工監測；監測系統；物聯網

中圖分類號：U446.2 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.001

文章編號：1673-4874（2025）03-0001-04

0 引言

隨著大型基礎設施的復雜性與智能化水平的提高，橋梁施工中的結構監測與控制技術日益成為保證工程安全與精確施工的關鍵因素[1-2]。本文以 G75 欽江大橋為例，開發并實施了一種拱肋整體提升的自動化監測系統，該系統集成了物聯網技術[3]，結合多種監測模塊，開創了大跨度拱橋提升的新模式。

隨著橋梁跨徑的逐步增大，施工過程中不可避免地會出現誤差，這些誤差隨跨徑增大而逐漸加劇。人為計算失誤、環境溫度變化、材料特性、濕度、測量誤差以及施工流程等[4-6]，都可能對施工結果產生影響。因此，如果不對施工過程中的各項參數實施實時動態監控和及時調整，可能會導致嚴重后果，這使得強化施工過程監控的重要性愈加凸顯。傳統的監測通常依賴于人工手持傳感器進行數據采集和記錄，這種方法不僅耗時費力、效率低下，還容易產生人為錯誤，難以準確反映橋梁的實時狀態，同時也無法為施工人員提供有效的預警。目前，隨著監測設備的不斷完善，信息傳輸技術的發展以及數據分析方法的進步，拱橋提升過程的自動化監測得到了實現，為施工提供了堅實的技術支持[7-8]。

本文以G75欽江大橋為例，介紹了一種整體提升自動化監測系統，該系統能夠實時動態采集和監測拱肋的線形、應力狀態、溫度以及風速等數據，確保施工安全，不僅對提升大跨度拱橋施工技術水平具有重要意義，同時也為拱肋整體提升過程的施工決策以及施工效率的提高提供了有力支持。

工程概況

G75欽江大橋位于平陸運河航道 K112+700 處，在蘭海高速公路 G75 廣西欽州境 12101+945 處跨越欽江。新建橋梁為下承式鋼管混凝土系桿拱橋，主橋計算跨徑為318m，矢跨比為1/4.48，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數m=1.5 。新橋效果圖如圖1所示。該橋拱肋為鋼管混凝土桁架式結構，單幅橋主拱橫橋向中心間距為 24.9m 左右幅主拱弦管距離 單片拱肋采用變高度四管桁式截面，拱頂截面徑向高 5m ，拱腳截面徑向高7m，肋寬 2.6m ，分14個節段加工制作及安裝，其中拱腳處的4個節段（兩岸各2個）采用支架施工，中間10個節段通過在橋底加工安裝為整體大節段后，兩端連接臨時水平系桿，通過豎向提升與拱腳節段進行合龍。大節段整體提升理論重量為1900t，提升高度為49. 1m ，為自前世界最大整體提升跨徑和噸位的鋼管混凝土拱橋。

2拱肋整體提升過程

2.1控制方案

為了確保拱肋結構在提升過程中的穩定性，需要通過張拉臨時水平索來維持結構的受力平衡。臨時水平索不僅起到穩定作用，還用于調整拱肋的線形，確保拱肋在提升過程中保持最佳的幾何形態，從而順利完成合龍過程。為了精確控制拱肋的線形變化和結構應力，本文提出了以拱肋無應力長度和無應力曲率為控制目標，作為整體提升過程中監測和調整的關鍵參數，從而推導出臨時水平索力的優化控制方案。如圖2所示，通過計算，確定當每束臨時水平索的拉力為3156KN時，能夠有效地將合龍口接頭的相對位移和相對轉角控制在接近零的范圍內，基本達到了拱肋的無應力合龍要求。這一控制方案的成功應用，使得拱肋的合龍過程能夠在沒有顯著結構變形的情況下順利進行，從而保證了橋梁整體結構的穩定性和施工過程的精確性。

2.2 施工方案

為了確保整體提升過程的施工效率和提升的同步性，項自采用了LSD液壓同步提升技術，并結合整體提升自動化監測系統，為施工過程提供精確控制和安全保障。

提升時，在鋼管拱肋兩側安裝提升門架，配置8臺LSD3500千斤頂、4臺液壓泵站和1套控制系統。在提升前，通過鋼絞線將千斤頂與中拱段連接，同時布置臨時水平系桿，以控制離架及成拱過程中可能出現的變形。在提升階段，地面指揮中心負責同步控制千斤頂的頂升過程，通過千斤頂夾持器與油缸、活塞及鋼絞線的相對運動，實現中拱段的穩步提升。為確保中拱段順利脫離拼裝胎架，采用分級加載的方式調節水平索和垂直索的張力，以使拱肋的受力接近自然狀態。提升分為五個階段，分別對應設計力值的 25%.40%.50%.75% 和 100% ，其中力值偏差需控制在 5% 以內，拱腳位移偏差需 lt;1 cm。

3 監測目標和監測對象

3.1總體監測目標

大橋的上部結構設計為下承式鋼管混凝土系桿拱橋，由于拱肋整體提升過程中的結構響應復雜，尤其在拱肋整體提升階段，難以全面預測這些響應的實際情況。傳統的設計分析往往依賴于理想化假設，這使得理論計算與實際施工條件之間可能存在較大偏差。因此，針對這一問題，項目引入了自動化監測系統，通過實時跟蹤主拱圈施工過程中特別是在拱肋提升和合龍過程中的環境狀態和結構響應，確保對關鍵結構狀態的及時掌控。

自動化監測系統的應用，顯著提高了數據采集的效率和連續性，并為施工過程中的安全預警和決策提供了可靠支持。通過這一系統，能夠在施工現場實時獲取拱肋提升階段的結構響應數據，為后續的施工控制提供精準的依據，從而確保大橋的安全性和施工精度。

3.2 監測對象

整體提升施工過程中，監測的重點包括整體提升塔架和主拱圈兩個關鍵部分。由于塔架的高度較大且結構柔性較強，尤其是在夏季季風期，塔架受風荷載的影響尤為顯著。為了確保施工安全，提升系統的最大作業設計風速為6級風，當風速超過預設限值時，提升工作停止，待風速降低后恢復作業。與此同時，對塔架的偏位和應力進行實時監控，確保其不超過施工控制限值，從而降低施工過程的安全風險。

主拱圈作為鋼管混凝土拱橋的主要受力結構，在整體提升期間，必須密切監測其結構響應。另外，提升段的長度與拱肋控制點坐標都會與溫度有著密切的聯系，尤其在合龍前后，溫度的準確控制直接影響著成拱質量。為了確保施工精度，必須對溫度進行連續監測，為施工控制指令提供溫度修正依據。

基于以上施工過程中的監測需求，該項目開發并應用了整體提升自動化監測系統，對G75欽江大橋提升過程進行實時監測，以保障拱肋整體提升過程的安全。該系統主要監測以下內容：

（1）環境作用監測：包括風速、風向、溫度等環境

因素。（2）結構位移監測：包括塔架偏位、拱肋線形和拱肋

提升的同步性等。（3）結構內力監測：包括塔架應力和拱圈應力等。

4整體提升自動化監測系統

4.1 系統總體架構

整體提升自動化監測系統由智能控制模塊、監測模塊、數據傳輸與分析模塊、反饋模塊以及客戶端組成（如圖3所示），旨在實現施工過程中的自動化監測和精確控制。各模塊分別承擔不同的功能，通過協同工作確保拱肋整體提升施工的高效、安全與精確。

4.1.1智能控制模塊

智能控制模塊是系統的核心部分，主要負責執行實時控制指令，確保施工過程中的提升操作按照設定參數順利進行。具體功能包括：

（1）控制提升速率：根據實時監測數據和施工要求，動態調整提升速率，以確保提升過程平穩且符合設計要求。

（2）控制提升行程：精確控制提升過程中的行程限制，確保拱肋的提升高度和同步性滿足施工需求，避免因操作不當導致結構變形或偏移。

4.1.2 監測模塊

監測模塊負責實時收集和分析施工過程中的關鍵數據，并為控制模塊提供反饋。該模塊可以細分為三個主要板塊：

（1）環境狀態監測：負責對施工現場的環境條件進行實時監測，確保外部因素不影響施工安全與精度。主要是對風速和風向變化進行實時監控，確保吊裝和提升作業在安全風速范圍內進行。

（2）溫度監測：監測施工過程中溫度變化，特別是在拱肋吊裝和合龍階段，溫度對結構坐標和材料性能的影

響非常顯著。

（3）結構狀態監測：聚焦于拱肋和塔架等關鍵結構部位的受力狀態，確保結構的穩定性。具體監測內容：監控塔架在施工過程中的偏位，確保吊裝精度；實時監測拱肋在吊裝過程中的應力變化，確保應力不超出設計允許值；監測水平索力的變化，確保施工期間受力均勻且安全；監測各提升點之間的同步性，包括提升力監測和同步性監測，避免在提升過程中出現不均勻受力影響結構安全。

a.塔架偏位！ 優化 a.風向 iib.拱肋應力 模型 b.風速 iic.塔架應力！a.提升力大??！ c.溫度 id.水平索力ib.提升同步性i 有限元 模型 環境狀態 結構狀態 提升狀態 窗口 即時 顯示 預警 控制 參數優化指令智制 測塊 數據傳輸塊 客戶端 4 反饋模塊

4.1.3數據傳輸與分析模塊

數據傳輸與分析模塊負責系統中各模塊數據的采集、傳輸、處理和分析：

（1）數據采集與傳輸：實時采集傳感器和監測點的數據，并通過高速通信網絡將數據傳輸至分析和控制平臺。

（2）數據分析與偏差計算：對接收到的數據進行處理與分析，計算實際狀態與控制指令狀態之間的偏差，為反饋模塊提供基礎數據。

（3）異常預警功能：在數據分析過程中，系統會自動識別異常數據，并及時向反饋模塊發出預警，確保施工過程中快速響應潛在風險。

4.1.4反饋模塊

反饋模塊是實現監測與控制閉環的關鍵部分，主要負責對系統運行偏差的修正：

（1）偏差反饋：將數據分析模塊計算出的實際狀態與指令狀態之間的偏差傳送至控制模塊，以便對提升過程中的偏差進行實時調整。

（2閉環控制：確保監測數據和控制指令的實時反饋和修正，形成反饋閉環，保障整個提升過程的穩定性和精確性。

4.1.5客戶端

客戶端是施工人員和監控系統交互的重要界面，其主要功能包括：

（1實時監控與顯示：展示施工過程中的實時監測數據、控制參數和系統狀態，為施工人員提供可視化的監控界面。

（2）即時預警：當系統監測到異常情況時，客戶端能及時收到預警信息，提醒施工人員采取相應的控制措施。

（3）數據記錄與存儲：客戶端具備數據存儲功能，記錄施工過程中所有監測數據和操作記錄，為后續分析提供數據支持。

4.2 監測內容

4.2.1提升過程位移監測

采用了高精度測量機器人（如圖4所示），用于實時跟蹤和測量拱肋的提升同步性和線形變化。該測量機器人能夠精確監測每個提升點的位置變化，確保各點在提升過程中的同步性，避免因提升不均導致的結構變形。通過自動化跟蹤，實時記錄拱肋的線形變化，并將實際測量值與設計線形進行對比，及時發現偏差。這為施工過程中的精確控制提供了可靠的數據支持，確保了提升作業的穩定性和安全性。

4.2.2 風速監測

通過實時獲取風速和風向數據，為風荷載的計算和塔架結構安全提供基礎信息。此外，為分析風速沿塔高的變化情況，在塔架的不同高度設置三套風速風向傳感器，用于監測吊裝施工期間不同高度的風速和風向，輔助修正塔架結構的風荷載參數取值。監測數據通過數據導線傳輸至采集設備，再通過4G/5G網絡傳輸至數據處理與控制子系統進行進一步分析。

4.2.3鋼管應力與溫度監測

為確保拱肋在提升過程中的結構安全，項目對其應力和表面溫度進行了全程實時監測。監測涵蓋拱腳、L /4及拱頂等多個關鍵截面，每個監測截面設置4個測點，以確保能夠準確反映鋼管受力和溫度變化的情況。監測使用的設備為振弦式表面應變計，同時監測鋼管的應力與溫度變化。這些數據通過布置在各監測截面附近的數據采集儀進行自動采集，并實時傳輸至數據中心進行分析處理。

4.3自動化監測系統

基于物聯網技術，團隊開發了拱肋整體提升自動化監測系統，涵蓋了前文提到的五大模塊，顯著提升了橋梁施工過程中的監控能力，監測平臺界面如圖5所示。該系統共計接入了5類12種物聯網設備，完成了97個測點的實時數據采集，涵蓋了拱肋線形、塔架偏位、臨時水平索力、拱肋應力等關鍵指標，并監測了提升進度與高度、千斤頂提升張力和行程等重要數據，全面實現了對拱肋提升的全過程監控。系統具備三個核心監測大屏功能，能夠對上述關鍵指標進行實時可視化展示，幫助現場技術人員快速理解數據變化，為決策提供了有力支持。

該自動化監測系統具有較強的可擴展性，支持

HTTP、WebSocket、TCP、UDP和MQTT等主流物聯網協議，提供多種設備接入方式和數據轉發能力。同時，系統能夠與項目管理系統、BIM系統、GIS系統等第三方平臺無縫集成，實現數據共享和協同工作，進一步提高施工管理的智能化水平。拱肋整體提升自動化監測系統的應用，不僅為拱肋提升過程的安全性和可靠性提供了有力保障，也為未來橋梁的智慧化運營與維護打下了堅實基礎，具有廣闊的應用前景。

5結語

G75欽江大橋項目基于物聯網技術開發了拱肋整體提升自動化監測系統，監測內容涵蓋了拱肋線形、應力、溫度、風速和提升狀態等關鍵指標。監測系統的應用，顯著提升了施工監測效率，增強了數據的連續性和實時性，確保了施工的安全性和精確性，為施工控制決策提供了重要參考，同時也為大橋后續的智能化運營與維護奠定了基礎，具有廣闊的應用前景。

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