运宝黄河大桥挂篮施工监控系统设计与应用

（中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040）

一、工程概况

运宝黄河大桥位于山西省芮城县陌南镇柳弯村和河南省灵宝县老城村之间，是沟通晋西南和豫西北的重要公路桥梁。运宝黄河大桥桥跨布置为4×40m预应力混凝土T梁+110m+2×200m+110m波形钢腹板矮塔斜拉+48m+9×90m+48m连续梁-连续刚构组合梁。主桥采用110m+2200m+110m矮塔斜拉桥，墩、塔、梁固结体系，主梁采用波形钢腹板箱梁，桥墩采用等截面实心双薄壁墩，钻孔灌注桩基础。主桥箱梁采取挂篮悬臂浇筑施工，具体施工步骤为：前移挂篮—安装主梁外侧波腹板—安装底板钢筋—安装主梁内侧波腹板—安装顶板和内腹板钢筋—浇筑梁段混凝土。

二、系统设计思路

目前，桥梁施工中的挂篮操作均为传统人工操作，劳动密集型效率低下，多点独立操作过程同步性控制仅靠人为控制，缺乏智能化传感技术，故存在自动化、集成化、智能化程度低等缺点。桥梁施工挂篮操作过程投入劳动力较多，完成单套挂篮操作需8名到10名劳动力，多点之间信息反馈后手动调节油泵流量来调整纠偏，导致误差大且安全隐患较大。在挂篮施工中引入挂篮智能化监控后，可以实时监控挂篮行走距离、多点同步性控制及挂篮空间姿态与受力情况，根据自动化采集数据实时调整挂篮，提高挂篮操作效率、减少劳动力投入，从而达到降低风险的目的。

三、挂篮施工监控系统设计

该监控系统由设备子系统和用户界面子系统两部分组成，其中设备子系统包含挂篮施工数据的采集、传输和处理环节；用户界面子系统包含用户界面、检测预警模块和挂篮控制模块，系统设计流程如图1所示。

图1 系统设计流程图

（一）硬件系统设计

首先需要根据工程项目中挂篮施工的特点，合理布置监测点，监测点的数量和范围、传感器和采集设备的布置都直接关乎到数据的采集质量。另外，硬件设备工作的稳定性也影响到实时监测的效果，因此在挂篮施工的全过程中，监控系统要求挂篮状态数据必须具备连续性、实时性和准确性，这对数据的采集、传输和存储设备有较高要求。

1.挂篮监测点传感器布置

挂篮内力和空间姿态监测：主梁节段施工中，在挂篮前吊杆和牵索共同作用下，必须保证前吊杆受拉力，而且拉力值必须在设计规定范围内。该系统中挂篮为单悬臂受力、承受负弯矩较大，因此需要在挂篮关键部位安装相应的传感器，来监测其受力情况和实时空间姿态。该系统在两台挂篮的6根前吊点拉杆安装了锚索计；另外在挂篮后锚点拉杆力监测点布置方面，每片主桁架后锚点沿横桥向错开布置两个测点，4片主桁架共计8个测点。挂篮空间姿态监测安装倾角传感器，每片主桁架1个测点，4片主桁架共计4个测点；另外，选取4道钢腹板共计8个测点，测点安装位置距离悬臂端1m处。

挂篮行走同步性监测：由于位于同一T构上的两套挂篮移位必须同步对称进行，位移大于40cm，同一侧挂篮行走距离不得大于20cm，因此需要监测每座挂篮在施工中的实时位移。该系统采用高精度激光测距仪作为位移测量传感器，在每片主桁架布置1个测点，8片主桁架共计8个测点。激光测距仪固定在挂篮轨道锚固处，在挂篮后端合适位置安装标靶以供实时测量。在施工过程中，若挂篮同步性没有达到要求须停止施工，及时调整挂篮位移。

2.监测数据采集与传输

在数据采集方面，采用高精度智能传感器、数据自补偿和预处理调理器设备代替原有的普通传感器，能够满足数据采集高精度和连续性的要求。在数据网络传输方面采用了4G无线通信、本地局域范围灵活组网的智能云盒组网设备，所有传感器的测点均能实时传输到云端服务器，解决了其过程过于依赖人工且数据易出错、易丢失的问题；在设备供电方面，根据现场条件选择自供电方式或者接入直流电源，解决了施工现场可能无法供电的问题。

（二）软件系统设计

软件方面采用分布式应用架构，结合云计算、Web技术打造了实时数据三维场景展示平台，通过数据变化驱动桥梁和挂篮三维模型运动，实现全方位查看传感器数据，具有直观而丰富的展示效果。

1.三维模型与实时数据交互

三维模型可以让挂篮空间位置细节在实时监控系统中反映地更为准确和直观，模型数据的实时性也会让三维模型产生丰富的动态效果。该系统根据桥梁和挂篮设计图纸建立全信息BIM模型，再将模型整体导入到虚拟施工场景中，将整个施工现场还原在系统中。通过云端服务器接收实时传感器数据，根据测点与数据的对应关系编将二者关联，即可在系统中实时查看现场挂篮行走距离和受力、空间姿态信息。

2.系统网页端发布

为方便工程项目参与各方间协同分享桥梁施工实时信息，该系统采用B/S架构，打造为数字仿真三维施工信息网页端，各个用户组均可根据各自权限的帐号密码在施工进行时接入到系统中。监控系统中所有的功能均已集成到网页中，所有桥梁和三维模型通过插件的形式安装到网页，保证了网页三维程序运行的流畅性。通过网页和云端数据库的对接，用户能够修改系统配置文件和预警相关信息，可以随着施工进度不同而改变监控阈值和施工预警联系人等信息，真正做到随时随地访问系统、查看现场实时施工情况。

四、挂篮施工实时监控系统应用

2018年6月，世界在建最大跨度的波形钢腹板矮塔斜拉桥——山西运城至河南灵宝高速公路运宝黄河大桥主桥成功合龙，全桥贯通，该系统对桥梁挂篮施工进行了全过程监控。

桥梁挂篮施工监控系统主界面，主要包括三维界面和数据栏两个部分，用户可以查看到挂篮施工的相关数据信息，例如挂篮吊杆受力、挂篮行走距离和空间姿态数据、测点布置图和测点数据列表等。在主界面中用户可以根据实际施工进度设置工况值和测点属性，在当天施工结束后还能查看数据回放和施工情景重现。当检测数据超过预先设置的阈值时，系统会通过网页推送和手机短信的方式进行预警，以便施工管理者采取控制措施。

五、结语

在硬件方面，运宝黄河大桥挂篮施工监控系统使用了高频智能传感器和4G模块传输设备，相比传统监测设备提高了稳定性和准确性；在软件方面，以桥梁和挂篮BIM模型为基础打造了三维施工场景平台，通过云服务器读取实时挂篮施工监控数据，将施工过程中各个挂篮的实时状态以三维可视化的方式展示，对挂篮受力情况和空间姿态进行实时分析，将各个挂篮的行走距离同步展示在系统中，并对桥梁施工状态进行监控和评估，在数据异常时发出预警信号，为施工管理决策提供了科学的依据。