斜拉桥智能施工控制专家系统中安全预警应用*

郑文涛，袁帅华

(湖南科技大学 土木工程学院，湘潭 411201)

斜拉桥智能施工控制专家系统中安全预警应用*

郑文涛，袁帅华

(湖南科技大学 土木工程学院，湘潭 411201)

斜拉桥施工过程中的安全一直备受建设者关注，要确保斜拉桥建设的质量与安全，在斜拉桥施工过程中进行安全预警具有极其重要的意义.在预警理论基础上，结合斜拉桥智能施工控制专家系统，设计了安全预警子系统，通过对监测数据的采集和分析，根据预先设置好的预警准则，发现异常数据立即报警，并对预警结果提供一定的决策，将风险降到最低，真正地实现安全预警的自动化和智能化.

斜拉桥；安全预警；系统

0 引言

斜拉桥以良好的跨越能力、新颖的结构型式、稳定的抗风性能和便于悬臂施工等众多的优点在现代桥梁建设中占据着重要的地位.但正是由于这些优点的存在也给斜拉桥的施工带来了很多不安全因素，在斜拉桥施工控制中进行安全预警是保障斜拉桥更安全、高效的施工的重要手段，能很大程度上降低斜拉桥施工安全风险.

斜拉桥安全预警是对施工过程中可能出现的桥梁安全因素做出预测和报警，消除不安全状态，降低风险.斜拉桥智能施工控制中的安全预警是将控制理论、预警理论、专家系统理论应用导斜拉桥施工过程中，利用各种技术手段对斜拉桥施工系统中各种预警指标进行监测和分析，如主梁的标高、主梁和主塔应力、斜拉索索力，施工阶段稳定性等，再构建完整的预警评判准则来分析判断各种预警指标的预警等级，掌握施工中各种指标变化状况和发展趋势，对可能出现的异常状况及其危害程度进行预警，并为管理部门提供及时有效的预防控制对策.安全预警系统应该具有很高的安全性和使用性，能够完成施工过程监测数据的收集和管理，并进行分析和诊断，对异常数据进行报警，最后对与预警情况作出相应的决策调整，把问题解决在开始萌芽阶段，确保斜拉桥施工安全.

1 安全预警系统组成

斜拉桥智能施工控制专家系统中安全预警主要由预警监测模块、预警分析模块、预警判断模块和预警决策模块组成.

1.1 预警监测

预警监测是收集斜拉桥施工过程中的各种预警指标数据，将收集到的数据进行处理并保存到系统数据库，为准确分析桥梁安全状况提供坚实可靠的数据基础.预警监测主要包括变形监测、应力监测和斜拉索索力监测等.

(1) 变形监测

在斜拉桥施工安全中，变形是主要监测对象，它反映桥梁结构刚度和整体性.变形监测主要包括两个方面：主梁线形监测和主塔偏位监测.

(2) 应力监测

应力反映了桥梁结构实际受力状态，它与桥梁结构的强度和稳定性有关.在施工过程中要确保主梁和主塔应力控制在合理的范围内，如果出现异常情况，及时修正处理，确保主桥的安全，避免应力偏差过大导致结构破坏.应力监测主要包括关键截面主塔应力和主梁应力.

(3) 斜拉索索力监测

斜拉索张拉力大小直接影响主桥变形和内力，索力大小是反映全桥内力状态的重要指标.在施工阶段，它也是监控桥梁安全的主要监测量.

1.2 预警分析

预警分析是利用数学分析方法将监测到各种实测数据处理为预警可以利用的信息并储存下来，得到预警指标理论值和实测值的关系.其中线形和塔偏位的处理方式是求出理论值与实测值的差值，即：

ΔH=H实-H理

(1)

其中，H实是实测值，H理是理论值.

斜拉索索力和应力的处理方式是求出理论值与实测值的差值百分比，即：

(2)

其中，F实是实测值，F理是理论值.

1.3 预警判断

预警判断须根据预警评判规则来进行，预警判断规则主要依据规范、力学规律以及控制经验确定.将预警判断规则用规则表示法保存到系统知识库，便于保存和提取利用.归纳起来如表1～表3所示.

表1 变形预警规则

表2 应力预警规则

1.4 预警决策

预警决策是根据预警判断的结果提供一定的决策支持，将风险状态转化为“无警”状态，确保桥梁结构的安全.

“无警”表明桥梁处于“安全”状态，桥梁运行情况良好，正常进行下一步施工.

表3 索力预警规则

注：表1～表3中，X表示主梁标高、塔偏位误差，Δδ表示应力偏差比，ΔT表示索力偏差比.

“一级预警”表明桥梁处于“比较安全”状态，桥梁运行情况在允许范围内，此时正常进行下一步施工，同时加强观测，提高警惕，避免情况进一步恶化.

“二级预警”表明桥梁处于“比较危险”状态， 桥梁施工系统的运行状态不正常，应上报桥梁施工管理部门，协助相关单位寻找警源，采取一定的措施使其恢复 至“安全”状态.

“三级预警”表明桥梁处于“危险”状态，应停止施工并继续加强观测，请桥梁专家对当前的桥梁施工安全状态进行全面评测，及时采取紧急调整措施，避免桥梁坍塌的危险.

2 安全预警工作流程

根据斜拉桥施工过程安全预警系统相关原理，安全预警系统工作具体实现过程如图1所示.

图1 斜拉桥安全预警工作流程

3 安全预警系统应用

3.1 工程背景

创业大桥主桥为跨径149+100=249 m独塔双索面混凝土主梁斜拉桥，塔、梁、墩固结体系，主跨一跨跨越长湖申运河，如图2所示.索塔采用“H”型索塔，平行直立塔柱；主梁采用混凝土双主肋主梁；斜拉索采用平行钢丝成品索，空间扇形双索面.主桥立面位于竖曲线R=1800 m的凸曲线上，前坡、后坡为±3.0%.

图2 创业大桥主桥桥型布置图

3.2 主梁线形安全预警的实现

创业大桥张拉完合龙段预应力后，对主桥MB15～MB22号梁标高进行监测，其主梁表标高数据见表4，主梁线形安全预警窗口如图3所示，在安全预警分析窗口中：左侧信息栏显示分析工况、温度、时间以及分析项目；右侧数据分析子窗口调用数据库数据自动计算分析生成图示表格，表格内容包含测监测工况、测点位置、实测值、理论值、偏差百分比、是否预警和预警等级等内容，再运用得到的表格数据调用图表绘制函数自动生成分析图.如果用户需要解释，专家系统会将推理过程中用到的所有与安全预警有关的规则的内容显示给用户.

表4 张拉完合龙段预应力主梁标高数据

图3 线形安全预警窗口

由图3可知，张拉完合龙段预应力后，各梁段底面线形误差均在控制精度范围之内，主梁主梁底面线形平顺，控制良好.主梁的线形误差最大出现在MB15处，其最大值为22 mm，会发生二级预警，其他梁段误差均小于20 mm，主桥梁处于“比较安全”状态.

3.3 斜拉索索力安全预警的实现

创业大桥张拉完合龙段预应力后，对边跨AC15～AC22号索进行监测，其索力数据见表5，索力安全预警窗口如图4所示.

表5 张拉完合龙段预应力边跨索力数据

图4 索力安全预警窗口

由图4可知，张拉完合龙段预应力后，所有斜拉索实测索力与理论索力吻合良好，误差均很小，控制效果理想.除AC16偏为5.5%，超过5%，但未超过10%，会出现一级预警，其他斜拉索索力均不超过5%，不会产生预警，主桥处于“安全”状态.

4 结束语

随着越来越多大跨径、超大跨径斜拉桥的出现，安全问题在施工过程中显得更加重要，因此在斜拉桥施工控制中进行安全预警得到了更多人的关注和青睐，安全预警是确保主桥安全的有效途径.本文将安全预警系统成功应用到创业大桥中施工控制中，实现了线形安全预警和索力安全预警，并取得了良好的控制效果，具有一定的应用前景.

[1] 袁帅华.基于网络的桥梁智能化施工控制系统研究[D].同济大学博士学位论文,2008.

[2] 隋莉颖,刘 浩.基于物联网技术的桥梁健康监测与安全预警技术研究[J].公路交通科技,2015(2):8-11.

[3] 郝 毅.基于物联网技术基础的桥梁健康监测系统应用研究[J].管理工程师,2013(2):33-35.

[4] 韩成博.斜拉桥施工过程智能安全预警系统研究[D].湖南科技大学硕士学位论文,2014.

[5] 朱晓文,张宇峰.公路常规桥梁状态监测与安全预警技术研究[J].现代交通技术,2013(2):25-28.

[6] 李佩云,郝 伟.中小型在役桥梁安全预警研究[J].中国安全生产科学技术,2015(7):150-155.

ApplicationofSafetyEarlyWarningofIntelligentConstructionControlExpertSystemofCable-StayedBridges

ZHENG Wen-tao，YUAN Shuai-hua

(College of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

The safety of the cable-stayed bridges has been paid more and more attention by the builders. To ensure the quality and safety of the cable-stayed bridges construction, it is extremely important to carry out the safety early warning in the construction process of the cable-stayed bridges. Based on the theory of early warning, this thesis designs a safety early warning subsystem based on the intelligent construction control expert system of cable-stayed bridges. Through the collection and analysis of the monitoring data, according to the pre-set warning criteria, it is found that the abnormal data immediately reports the alarm. The early warning results provide some decision-making, minimize the risk, and make early warning to achieve automation and intelligence.

cable-stayed bridge； safety early warning； system

2017-05-05

国家自然科学基金资助项目(510787197)；湖南省高校创新平台开放基金资助项目(09K083).

郑文涛(1991-)，男，硕士研究生，研究方向:桥梁工程.通信作者：袁帅华(1974-)，男，博士，副教授，研究方向：大跨度桥梁施工控制.

TB34

A

1671-119X(2017)04-0090-05