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        基于BIM技術(shù)的高速鐵路系桿拱橋運營監(jiān)測系統(tǒng)研究

        2019-10-18 06:03:56沈勁松陳令康鞠曉臣程曉毛潘永杰
        鐵道建筑 2019年9期
        關(guān)鍵詞:系桿梁家層級

        沈勁松,陳令康,鞠曉臣,程曉毛,潘永杰

        (1.武廣鐵路客運專線有限責(zé)任公司,湖北武漢 430212;2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所,北京 100081;3.中國鐵路上海局集團有限公司,上海 200071)

        隨著我國高速鐵路的建設(shè),大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁逐漸增多。由于巡檢困難,檢查設(shè)備匱乏,橋梁結(jié)構(gòu)檢查目前主要以人工檢查為主[1],效率較低。為掌握橋梁運營健康狀況,我國從20 世紀90年代起開始在一些大型重要橋梁上建立運營監(jiān)測系統(tǒng)[2-4],以實時監(jiān)測橋梁運營狀態(tài)。

        本文以武廣鐵路客運專線梁家灣大橋為研究對象,搭建橋梁運營監(jiān)測系統(tǒng),對橋梁進行實時監(jiān)測,從而掌握橋梁結(jié)構(gòu)運營狀態(tài)。

        1 工程背景

        梁家灣大橋主跨112 m,跨越京港澳高速公路。橋上線路為雙線、直線,坡度1.31‰,線間距5 m,軌道類型為武廣客運專線雙塊式無砟軌道。系桿拱橋全長116 m,矢跨比為1∶5,拱肋平面內(nèi)矢高22.4 m,拱肋采用懸鏈線線形,截面為啞鈴形,鋼管拱肋內(nèi)填充混凝土,截面高3 m,沿程等高布置。系梁按整體箱形梁布置,采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面。尼爾森體系吊桿間距8 m。32#和33#墩為提籃拱橋墩,32#墩設(shè) 2 個 TQZ-32500-DX 支座,33#墩設(shè) 2 個 TQZ-32500-HX 支座,2 個支座中心距均為16.2 m。梁墩各設(shè)1 個橫向限位裝置——MSK5000 縱向活動型剪力榫。梁家灣大橋立面見圖1。

        圖1 梁家灣大橋立面(單位:cm)

        2 基于BIM技術(shù)系桿拱橋運營監(jiān)測系統(tǒng)平臺

        系桿拱橋橋梁運營監(jiān)測系統(tǒng)主要根據(jù)養(yǎng)護管理需求、數(shù)據(jù)分析結(jié)論、橋梁結(jié)構(gòu)特點等因素綜合考慮,對影響結(jié)構(gòu)安全和行車安全的重點部位和結(jié)構(gòu)薄弱部位進行監(jiān)測。本文以BIM 技術(shù)為基礎(chǔ),搭建了系桿拱橋的運營監(jiān)測系統(tǒng)框架。

        2.1 系桿拱橋BIM模型

        搭建橋梁BIM 模型前,首先需定義橋梁層級內(nèi)容??筛鶕?jù)結(jié)構(gòu)位置、結(jié)構(gòu)功能或形式對項目進行層級劃分,一般可分為專業(yè)層級、項目層級、結(jié)構(gòu)部位、細部結(jié)構(gòu)層級4 個主要層級[5]。因模型需求不同,項目層級與專業(yè)層級的先后順序可根據(jù)具體情況進行選擇,如僅以單獨橋梁建模,專業(yè)層級應(yīng)作為首位層級,而項目層級可取消。結(jié)構(gòu)部位一般可劃分為上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、重點易損部位和附屬結(jié)構(gòu)4 大部分。以梁家灣大橋為例,上部結(jié)構(gòu)包括拱肋、拱腳、吊桿、系梁、錨固構(gòu)造等構(gòu)件;下部結(jié)構(gòu)包括橋臺、基礎(chǔ)等構(gòu)件;重點易損部位包括支座、限位裝置、阻尼器等構(gòu)件;附屬結(jié)構(gòu)包括人行道、擋砟墻等構(gòu)件。細部結(jié)構(gòu)中還存在一些子結(jié)構(gòu),為確保模型顆粒度,可根據(jù)實際情況適當(dāng)添加若干層級,如拱肋中的拱肋鋼管、拱肋混凝土與橫撐等組成構(gòu)件。梁家灣大橋BIM 模型結(jié)構(gòu)分解見圖2。

        圖2 梁家灣拱橋模型結(jié)構(gòu)分解

        層級劃分完畢后,為實現(xiàn)系統(tǒng)各模塊之間信息的互通和交流,方便計算機準確辨別相應(yīng)信息,需在分類的基礎(chǔ)上為每一層級、每一類別賦予相應(yīng)的編碼,通過編碼的“索引”作用,有效實現(xiàn)基于BIM 模型的信息交互。以《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準》(1.0 版)中53 表為基礎(chǔ),建立基于IFD(International Framework for Dictionaries)分類編碼的技術(shù)應(yīng)用框架。由于53表是按照設(shè)計進行的分類,應(yīng)用于梁家灣橋時根據(jù)運維需求進行了適當(dāng)擴充或修正,形成了全橋的IFD 分類編碼體系。將IFD 編碼信息作為屬性直接賦予相應(yīng)的模型層級和構(gòu)件,不僅實現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)部件、構(gòu)件的準確辨識,也為后期大跨度橋梁病害大數(shù)據(jù)分析、病害庫和管養(yǎng)知識庫拓展等提供了通用的識別體系和技術(shù)支撐。

        采用CATIA 軟件創(chuàng)建梁家灣大橋模型。梁家灣大橋BIM模型見圖3。

        圖3 梁家灣大橋BIM模型

        2.2 系桿拱橋運營監(jiān)測系統(tǒng)

        以BIM 模型為載體,將多源監(jiān)測檢查數(shù)據(jù)與BIM模型關(guān)聯(lián)起來,能夠便捷快速地掌握橋梁運營狀態(tài)。運營監(jiān)測系統(tǒng)組成架構(gòu)見圖4。其中,結(jié)構(gòu)自動監(jiān)測子系統(tǒng)、視頻安全監(jiān)控子系統(tǒng)和電子化人工巡檢子系統(tǒng)用于荷載源、結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場信息的采集,將獲取的數(shù)據(jù)作一定處理后,統(tǒng)一存儲在數(shù)據(jù)存儲與管理子系統(tǒng)中;然后使用數(shù)學(xué)工具進行相應(yīng)的統(tǒng)計分析。設(shè)定各特征參數(shù)的安全閾值可以實現(xiàn)系統(tǒng)的安全評估和預(yù)警功能,并由用戶界面子系統(tǒng)完成人機交互工作。

        圖4 運營監(jiān)測系統(tǒng)組成架構(gòu)

        3 梁家灣大橋監(jiān)測內(nèi)容重點

        橋梁運營監(jiān)測旨在對影響結(jié)構(gòu)安全的最關(guān)鍵的部位和參數(shù)進行監(jiān)測,從而達到掌握橋梁整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)的目的。對大橋結(jié)構(gòu)進行有限元分析,結(jié)合TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[6]和鐵運函〔2004〕120 號《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[7]提出重點監(jiān)測內(nèi)容。

        3.1 有限元計算

        采用MIDAS/Civil 有限元軟件建立大橋三維有限元模型,見圖5。通過理論計算分析,確定橋梁結(jié)構(gòu)受力最不利位置及對結(jié)構(gòu)受力起關(guān)鍵控制作用的位置,進而確定傳感器布點最優(yōu)方案。

        圖5 梁家灣大橋有限元模型

        梁家灣大橋有限元模型共劃分為175 個節(jié)點和218 個單元,模型中系梁、拱肋以及橫撐均采用梁單元模擬,吊桿采用只受拉的桁架單元模擬。邊界條件:一端約束為DX,DY,DZ,RX,RZ;另一端約束為DY,DZ。箱梁與拱肋約束采用彈性連接中的剛性連接。計算分別考慮主力、主力+附加力2種荷載組合。主力包括自重、二期恒載、ZK 活載(見圖6)、預(yù)應(yīng)力荷載、吊桿初拉力。附加力包括整體升降溫,按±15 ℃考慮。梁家灣大橋豎向位移、拱肋y方向彎矩及吊桿索力分別見圖7—圖9。

        圖6 ZK活載圖示

        圖7 梁家灣大橋豎向位移(單位:cm)

        圖8 梁家灣大橋拱肋y方向彎矩(單位:kN·m)

        圖9 梁家灣大橋吊桿索力(單位:kN)

        由圖7—圖9可知:①結(jié)構(gòu)的整體變形中箱梁跨中變形較大,在主力+附加力作用下最大值為2.9 cm;②提籃拱的y方向彎矩在拱腳位置較大,在主力+附加力作用下最大值為1.2×104kN·m;③吊桿在跨中及1/4跨位置索力較大,在主力+附加力作用下最大值為1.6×103kN。

        3.2 重點監(jiān)測內(nèi)容

        根據(jù)梁家灣大橋的結(jié)構(gòu)特點及有限元分析結(jié)果,結(jié)合相關(guān)規(guī)范[6-7],并借鑒以往橋梁監(jiān)測經(jīng)驗[8-10],確定監(jiān)測內(nèi)容如下:①結(jié)構(gòu)特征監(jiān)測,包括梁體撓度、吊桿索力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)振動、支座位移和梁端轉(zhuǎn)角。②運營列車特征監(jiān)測,包括橋梁結(jié)構(gòu)視頻監(jiān)測和雷達測速監(jiān)測。

        梁家灣大橋?qū)儆谔厥饨Y(jié)構(gòu)橋梁,有限的測點主要布置在結(jié)構(gòu)設(shè)計中起控制作用的截面和部位[11]。測點布置見表1,傳感器總體布置見圖10。

        表1 梁家灣大橋監(jiān)測測點布置

        圖10 梁家灣大橋測點總體布置

        4 結(jié)論

        1)結(jié)合系桿拱橋特點,對橋梁進行層級劃分,形成全橋的IFD 分類編碼體系,采用CATIA 軟件建立大橋BIM 模型。以BIM 模型為載體,將多源監(jiān)測檢查數(shù)據(jù)與BIM 模型關(guān)聯(lián)起來,實現(xiàn)基于BIM 模型的信息交互。

        2)對大橋進行有限元分析,并依據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》和《鐵路橋梁檢定規(guī)范》確定重點監(jiān)測內(nèi)容。優(yōu)化后全橋共布置34個測點,實現(xiàn)了實時監(jiān)測橋梁整體運營狀態(tài)的目的。

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