李 強(qiáng) 王明剛

(中鐵四局集團(tuán)第五工程有限公司,江西九江 332000)

在大跨度連續(xù)梁施工過程中,受施工精度、材料特性、施工環(huán)境的諸多因素影響,實(shí)際施工線形和受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)理論值會(huì)存在一定偏差。為保證連續(xù)梁結(jié)構(gòu)安全,確保其順利合龍及成橋線形符合設(shè)計(jì)要求,需對連續(xù)梁施工過程進(jìn)行線形監(jiān)控、實(shí)時(shí)糾偏[1-4]。

在連續(xù)梁順利合龍后,受溫度、自重、荷載等因素影響,梁體混凝土將會(huì)產(chǎn)生一定程度的徐變,從而引起橋梁上拱或下?lián)?利用成橋后的徐變觀測數(shù)據(jù)可對橋梁進(jìn)行全方位的評估,也可為后續(xù)運(yùn)營健康提供依據(jù)。

目前,國內(nèi)外已有多座橋梁安裝了成橋運(yùn)營階段的健康監(jiān)測系統(tǒng),但在橋梁施工階段,則很少投入類似的在線監(jiān)測系統(tǒng)[5]。隨著近年來智慧建造概念提出,橋梁施工信息化也成為必然發(fā)展趨勢,信息化系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)采集、遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn),可解決傳統(tǒng)施工測量費(fèi)時(shí)費(fèi)力、數(shù)據(jù)反饋周期長、測量精度受人為影響大等缺陷。

1 傳統(tǒng)連續(xù)梁線形監(jiān)控方法

目前,在大跨度連續(xù)梁施工過程中,常用的線形監(jiān)控方法有全站儀三角高程測量法、水準(zhǔn)儀幾何水準(zhǔn)測量法[6],這些方法操作繁瑣、現(xiàn)場計(jì)算工作量大、數(shù)據(jù)反饋周期長,從而導(dǎo)致測量工作效率低下,測量結(jié)果精度偏低。

數(shù)據(jù)采集后,運(yùn)用MIDAS、ANSYS等進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模有限元分析,一般采用1個(gè)時(shí)點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為分析依據(jù),若分析數(shù)據(jù)不夠充分,則存在一定的風(fēng)險(xiǎn)[7],常出現(xiàn)因監(jiān)測問題影響工期的情況。

對于連續(xù)梁合龍后的徐變監(jiān)測,因其監(jiān)測周期長、監(jiān)測頻率高,而常規(guī)測量方法受陽光、溫度等環(huán)境影響較大,且監(jiān)測人員上橋測量時(shí)需通過簡易塔吊等提升設(shè)備,存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 連續(xù)梁線形監(jiān)控信息化系統(tǒng)組成及功能

2.1 系統(tǒng)整體組成

為建立經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠、精確的數(shù)字化數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng),應(yīng)從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂茮Q策實(shí)現(xiàn)高度智能化與全過程自動(dòng)控制,能滿足鐵路大跨度連續(xù)梁橋?qū)κ┕た刂频母呔?、高效率與實(shí)時(shí)化需要[8]。

連續(xù)梁線形監(jiān)控信息化系統(tǒng)由自動(dòng)化采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理平臺3部分組成,見圖1。

圖1 系統(tǒng)組成

由于采集傳感器布置較為分散,故各自設(shè)置了傳輸模塊,應(yīng)力傳感器采集的應(yīng)力數(shù)據(jù),靜力水準(zhǔn)儀采集的已施工段數(shù)據(jù)均通過無線傳輸?shù)胶笈_,決策中心指令通過無線發(fā)送到前端測量機(jī)器人,整個(gè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)量測、數(shù)據(jù)處理,并指導(dǎo)現(xiàn)場測量放樣控制和偏差調(diào)整[9]。

2.2 各模塊組成及功能

(1)自動(dòng)化采集模塊

數(shù)據(jù)采集手段是連續(xù)梁自動(dòng)化測量系統(tǒng)得以實(shí)施的關(guān)鍵,不僅要考慮采集端的靈敏度,采集數(shù)據(jù)的精度,還要綜合考慮現(xiàn)場布設(shè)的可實(shí)施性、干擾因素、經(jīng)濟(jì)成本等方面[10]。

通過技術(shù)調(diào)研,比選了多種采集設(shè)備,最終選擇組合采集模塊(包括靜力水準(zhǔn)儀、應(yīng)變傳感器、測量機(jī)器人等)。

靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)采用一體化模塊化的自動(dòng)采集單元[11],并通過無線數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)時(shí)傳送到計(jì)算機(jī)云端,實(shí)現(xiàn)整個(gè)沉降觀測數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集,靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)見圖2。

圖2 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)

應(yīng)變傳感器實(shí)現(xiàn)應(yīng)力數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集,傳感器振弦應(yīng)變量及受溫度影響應(yīng)在±0.01℃精度范圍內(nèi),應(yīng)力傳感器見圖3。

圖3 應(yīng)力傳感器元器件

(2)數(shù)據(jù)傳輸模塊

開發(fā)遠(yuǎn)程雙向傳輸控制軟件,使施工控制中心通過網(wǎng)絡(luò)將橋梁施工現(xiàn)場的監(jiān)測計(jì)算機(jī)連接起來,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、文件的雙向傳輸,并保證網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)安全[12]。數(shù)據(jù)傳輸模塊是利用無線模塊上已經(jīng)集成Si4432外圍射頻電路,操作主控制器的SPI口對Si4432寄存器進(jìn)行讀寫,即可完成無線通信功能。

(3)數(shù)據(jù)處理平臺

在大跨度橋梁施工控制中,應(yīng)建立智能化控制決策專家系統(tǒng)和施工控制知識庫,施工控制決策系統(tǒng),以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的圖像控制結(jié)構(gòu)獲取施工控制數(shù)據(jù),以及演示和控制施工的過程。數(shù)據(jù)處理模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析,包括以下功能。

①計(jì)算各類線形任意里程樁號的中線和邊樁設(shè)計(jì)坐標(biāo);計(jì)算結(jié)構(gòu)物特征點(diǎn)的設(shè)計(jì)坐標(biāo);計(jì)算線路任意里程樁號的中線設(shè)計(jì)高程,連續(xù)梁頂面任意位置的設(shè)計(jì)高程。

②梁各節(jié)段在不同溫度、應(yīng)力、配重、自重及張拉前后等不同條件下的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析,與橋梁博士、MIDAS軟件、ANSYS軟件有限元分析軟件數(shù)據(jù)接口,最終提供連續(xù)梁各節(jié)段模板的立模高程修正值。

③計(jì)算測量機(jī)器人在施工現(xiàn)場任意設(shè)站的測站點(diǎn)三維坐標(biāo)及定向方位角;實(shí)時(shí)計(jì)算各節(jié)段立?？刂泣c(diǎn)的坐標(biāo),同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)分析軟件提供的各節(jié)段立模高程修正值,實(shí)時(shí)計(jì)算各節(jié)段立?？刂泣c(diǎn)的高程;控制測量機(jī)器人進(jìn)行現(xiàn)場放工放樣及偏差調(diào)整。

④掛籃監(jiān)測數(shù)據(jù)處理,包括結(jié)構(gòu)的應(yīng)力,傾斜、變形曲線。

⑤橋梁工后徐變觀測數(shù)據(jù)處理分析,變形曲線生成。

3 系統(tǒng)原理

3.1 連續(xù)梁線形監(jiān)控信息化系統(tǒng)工作原理

現(xiàn)場傾角靜力水準(zhǔn)儀、應(yīng)變傳感器可采集已施工節(jié)段上控制標(biāo)志的測量數(shù)據(jù),并實(shí)時(shí)上傳到后臺控制中心;然后,對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析,結(jié)合設(shè)計(jì)線形數(shù)據(jù),在人工建模進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)上,自動(dòng)計(jì)算下一節(jié)段控制標(biāo)志的中線位置數(shù)據(jù)及立模高程數(shù)據(jù),并實(shí)時(shí)傳送到現(xiàn)場的測量機(jī)器人;高精度全站儀對各監(jiān)測標(biāo)志跟蹤測量,并實(shí)時(shí)將施工中測量偏差反饋,從而達(dá)到連續(xù)梁施工過程中實(shí)時(shí)、高效、準(zhǔn)確的線形監(jiān)控,確保施工過程中的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全。

其工作原理見圖4。

圖4 連續(xù)梁監(jiān)測系統(tǒng)原理示意

3.2 連續(xù)梁工況分析

在連續(xù)梁施工前,為確保成橋線形與設(shè)計(jì)線形一致,通過施工工序、設(shè)計(jì)參數(shù)分析各工況下連續(xù)梁結(jié)構(gòu)受力狀況[13],在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行施工各階段的控制,使其滿足設(shè)計(jì)線形和結(jié)構(gòu)受力的要求。

橋梁設(shè)計(jì)文件中,通常只包含最終的橋梁線形和內(nèi)力狀態(tài),而在各個(gè)中間施工狀態(tài),則缺乏相應(yīng)的控制目標(biāo)。為確定施工階段各狀態(tài)的理論控制值,需要進(jìn)行逆向分析,從成橋狀態(tài)開始逐步倒推各個(gè)階段施工時(shí)的理論控制值。建模分析時(shí),對成橋模型上進(jìn)行反向拆除,分析每個(gè)拆除部分對剩余結(jié)構(gòu)影響,從而得到各個(gè)工況狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)位置和受力的狀況[14],作為施工各階段控制的理論目標(biāo)值。

在施工推進(jìn)過程中,梁的結(jié)構(gòu)形式、荷載狀況以及邊界約束條件等都是動(dòng)態(tài)變化的,在混凝土收縮徐變作用下,已施工段空間位置會(huì)發(fā)生偏移[15],在分析下一節(jié)段時(shí),應(yīng)充分考慮本節(jié)段結(jié)構(gòu)狀態(tài),進(jìn)而逐一的對后續(xù)節(jié)段進(jìn)行理論分析計(jì)算。計(jì)算流程見圖5。

圖5 連續(xù)梁分析計(jì)算流程

需要對初始狀態(tài)、零號塊施工、每節(jié)段懸臂澆筑、邊跨合龍、中跨合龍、后續(xù)二期恒載幾個(gè)階段進(jìn)行分析,通過理論計(jì)算分析獲取到主梁高程、施工各節(jié)段理論值、各個(gè)節(jié)段的模板高程。

3.3 節(jié)段模板高程計(jì)算

在連續(xù)梁懸臂澆筑法施工中,當(dāng)從零號塊向兩端進(jìn)行對稱掛籃施工時(shí),考慮到每節(jié)段梁的自重、混凝土自身性能引起的形變等諸多因素影響,梁的線形需在設(shè)計(jì)線形上設(shè)置一定的預(yù)拱度,以抵消撓度變形的影響,施工每一節(jié)段,都需要根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)的控制,以確保建成后橋梁的線形與設(shè)計(jì)線形的一致性。

在計(jì)算立模高程時(shí),需要考慮的計(jì)算因素包括:該節(jié)段設(shè)計(jì)高程、節(jié)段自重、節(jié)段預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、施工臨時(shí)荷載、使用荷載、掛籃變形等,其中,節(jié)段自重、節(jié)段預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、施工臨時(shí)荷載、使用荷載通過理論分析獲得,掛籃變形值通過現(xiàn)場試驗(yàn)得到。立模高程計(jì)算公式為

式中,Hlm為該節(jié)段立模高程;Hsj為該節(jié)段設(shè)計(jì)高程;∑f為節(jié)段自重、節(jié)段預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、施工臨時(shí)荷載、使用荷載幾項(xiàng)引起撓度的總和;fgl為掛籃變形值。

4 工程實(shí)例

4.1 項(xiàng)目介紹

新建鄭萬高鐵湖北段白河雙線特大橋采用(72+128+72)m混凝土連續(xù)梁,其梁體截面為單箱單室、變高度、變截面箱梁,底板、腹板、頂板局部向內(nèi)側(cè)加厚,均按折線變化,全聯(lián)在端支點(diǎn)、中支點(diǎn)處設(shè)置橫隔板,橫隔板設(shè)置檢查孔洞。防護(hù)墻內(nèi)側(cè)凈寬9.0m,梁寬12.6m,橋梁建筑總寬12.9m,梁全長273.6m,計(jì)算跨度為(72+128+72)m,中支點(diǎn)截面中心線處梁高10.0m?？缰?8m直線段與邊跨17.8m直線段截面中心線處梁高5.5m;梁底下緣按二次拋物線變化。箱底寬6.7m,頂板厚45cm,底板厚48～100cm,腹板厚40～90cm,腹板按折線變化,底板厚度按二次拋物線變化。邊支座中心距梁端0.8m,中支座、端支座橫向中心距均為5.7m。

4.2 測量元器件布置

大跨度橋梁監(jiān)測點(diǎn)位置和數(shù)量通過理論計(jì)算分析來確定,首先應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化分析,盡量將傳感器布置于最合理的位置,以減少傳感器設(shè)備的數(shù)量。撓度觀測點(diǎn)布置見圖6、圖7。

圖6 橋梁撓度測點(diǎn)布置

圖7 橋梁應(yīng)力監(jiān)測測點(diǎn)布置

元器件布置包括全站儀觀測標(biāo)志、應(yīng)力傳感器和靜力水準(zhǔn)儀傳感器埋設(shè),以及管道安裝等。靜力水準(zhǔn)儀布置見圖8。

圖8 靜力水準(zhǔn)現(xiàn)場布置

掛籃應(yīng)力觀測裝置布置見圖9。

圖9 掛籃應(yīng)力觀測裝置布置

以網(wǎng)絡(luò)為媒介,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向網(wǎng)絡(luò)傳輸,將橋梁施工現(xiàn)場與橋梁施工控制研究中心緊密銜接,以實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)高速傳輸與控制指令的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。高精度全站儀跟蹤測量見圖10。

圖10 高精度全站儀跟蹤測量各監(jiān)測標(biāo)志

4.3 數(shù)據(jù)響應(yīng)系統(tǒng)

建立了一個(gè)完善的大跨度橋梁信息化施工監(jiān)測控制管理系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂茮Q策高度智能化與全過程自動(dòng)控制,以及滿足鐵路大跨度連續(xù)梁橋?qū)κ┕た刂频母呔?、高效率與實(shí)時(shí)化的需要。施工階段建模分析見圖11、圖12。

圖11 建模分析

圖12 施工過程有限元分析結(jié)果

該系統(tǒng)可以直接關(guān)聯(lián)有限元模擬計(jì)算結(jié)果,再運(yùn)用施工控制原理性知識和經(jīng)驗(yàn)性知識,建立連續(xù)梁橋的施工控制決策專家系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)依據(jù)數(shù)據(jù)分析決策。

通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、理論計(jì)算,得到橋梁節(jié)段高程偏差值,以實(shí)時(shí)掌握測量數(shù)據(jù)的真實(shí)性,見圖13。

圖13 高程監(jiān)測

應(yīng)力傳感器可實(shí)時(shí)采集掛籃各部件受力情況,并及時(shí)傳入系統(tǒng),確保施工安全,見圖14。

圖14 應(yīng)力觀測數(shù)據(jù)

橋梁合龍后,靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)持續(xù)對橋梁徐變進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,判斷橋梁健康狀況,工后徐變情況見圖15、表1。

圖15 橋梁徐變觀測數(shù)據(jù)

表1 B17跨中觀測數(shù)據(jù)

續(xù)表1

由圖15、表1可知,橋梁在合龍后會(huì)持續(xù)發(fā)生徐變,可通過數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析橋梁變形趨勢和影響因素等。

4.4 施工精度控制

根據(jù)TB 10752—2018《高速鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》和Q/CR 9603—2015《高速鐵路橋涵工程施工技術(shù)規(guī)程》中的控制要求,連續(xù)梁線形監(jiān)測控制的目標(biāo)值為:成橋后連續(xù)梁底面線形偏差值±3cm以內(nèi);掛籃定位高程與預(yù)報(bào)高程之差控制在±0.3cm以內(nèi);每個(gè)節(jié)段箱梁澆注完成后,頂面平整度誤差小于1cm;箱梁軸線誤差小于±1cm。

預(yù)應(yīng)力索張拉完后,若梁端測點(diǎn)高程與監(jiān)控方預(yù)報(bào)高程之差超過±2cm,需分析誤差原因并制定下一步調(diào)整措施;每節(jié)段的軸線施工前應(yīng)進(jìn)行復(fù)核,動(dòng)態(tài)控制平面線形,確保平面線形與設(shè)計(jì)線形偏差在±2cm以內(nèi)。

5 結(jié)語

介紹一種大跨度連續(xù)梁施工測量自動(dòng)化系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)實(shí)傳送、計(jì)算、分析等,提高了工效,減輕了人工計(jì)算的工作量,減少出錯(cuò)概率。但該系統(tǒng)還存在一些問題需要解決。

(1)靜力水準(zhǔn)儀的靈敏度受溫度存在一定的影響,特別是在氣溫很低的時(shí)候,靜力水準(zhǔn)儀經(jīng)常出不來數(shù),下一步將研發(fā)外盒,降低其受氣溫的影響。

(2)常用的MIDAS、ANSYS等進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模有限元分析的軟件暫時(shí)沒有辦法集成到管理系統(tǒng)中作為模塊調(diào)用,降低了整個(gè)系統(tǒng)的整體性。也是下一步需要克服的主要技術(shù)難點(diǎn)。

(3)利用全站儀進(jìn)行自動(dòng)化控制時(shí),儀器架設(shè)的位置,如何實(shí)現(xiàn)固定形式的觀測,如何保護(hù)還需要進(jìn)一步摸索。