基于物联网及云平台的大跨度钢拱桥自动化监控技术

李君君 王云峰 庞同军

（石家庄铁路职业技术学院1） 河北石家庄 050041 中铁十六局集团第五工程有限公司2） 河北唐山 064000）

1 工程概况

北海市海景大道南段(白虎头至大冠沙)道路工程之冯家江大桥工程范围西起规划滨江路(K0+127.200)，向东北延伸，跨越冯家江后与已建海景大道(K1+626.180)接顺，工程范围全长1753.38 m,规划红线宽度40 m。

其中冯家江大桥总长650，由西引桥(4*40 m+4*40 m两联先简支后连续预制小箱梁)、冯家江大桥主桥(单跨100 m下承式钢-混叠合梁简支钢拱桥)、东引桥(2X 35m+4*40m两联先简支后连续预制小箱梁)以及附属工程四大部分组成。

2 自动化监控目的与意义

北海市冯家江大桥为下承式钢-混叠合梁系杆钢拱桥，由于主桥桥面与钢拱肋结构是分节段、拼装滑移法及吊装相结合施工形成的，实际施工材料的各项力学性能参数、施工精度、荷载和温度等诸多方面在设计理论状态与实际施工状态之间存在着差异，这对主梁及施工临时结构的稳定及承载能力有一定的影响。通过采用基于物联网及云平台的自动化监测技术对钢箱纵向拼装滑移法施工以及主拱吊装施工全过程的临时支架内力和位移状态进行有效地监测、分析、预警，对现场安全施工的实现是至关重要的。同时为了研究大跨度钢拱桥的气动特性，还对周边环境以及钢拱肋在吊装施工过程中主拱肋的风压参数进行了数据自动化采集，并形成了连续实时数据库，获得了海量的真实数据，因此，自动化监控是安全施工中必不可少的保证措施。

3 自动化监控组织与管理

自动化监控是一项集采集、分析、预警于一体的智能行为，必须要有完善的组织上的保证。考虑到冯家江大桥其施工工艺的难度和复杂性，成立突发情况应急小组，由现场总工负责突发情况会议的招集及讨论。现在技术人员负责日常的巡视及汇报。图1为自动化监测工作流程图。

图1 基于物联网的自动化监测工作流程图

4 主桥施工监控内容

4.1 支架沉降监测

沉降监测是观测支架稳定的重要措施。根据现场情况，采用具有高精度、高稳定性、智能化的MAS-HLSXXX型静力水准仪。考虑到施工环境的复杂，在主桥左侧拖拉支架及中间横梁支架上分别选取5根钢管桩进行测点布设，共计10个测点，将基点、节点及储液罐布置在6号桥墩。布设静力水准搭建的监测平台误差控制在50 mm范围内。现场静力水准基点、节点及储液罐布置如图2所示。

图2 基点及节点现场布置图

4.2 支架应力监测

支架应力监控是本桥施工控制的一个重要监测内容。通过该项应力监测，可掌握支架受力状况，及时判定支架应力是否超限，由于该桥施工的支架为利用原有部分锈蚀的支架改装加强后使用，因此受力测试与设计计算的符合性尤为重要。由于现场施工环境复杂，分别在主桥左侧拖拉支架选取5根钢管桩及中间横梁支架上选取10根钢管桩进行测点布设，共计30个测点，采集节点与静力水准共用。现场应力测点安装布置如图3所示。

图3 应力测点安装整体布置图

4.3现场施工环境监测

本项目处于沿海地域，施工环境复杂这对现场安全施工有很大影响，同时环境监测可以为桥梁结构性能分析提供必要的依据，因此进行现场环境监测是必要的。现场环境监测包括环境温度、湿度、风力、风向、风压及降雨量等多方面的监控。现场环境智能监测系统能对现场施工环境进行实时监控，智能监测系统主要由各监测项目对应的传感器、采集模块、无线传输设备及云平台构成。

4.4钢拱肋风压监控

钢拱肋风压监控测点布设在拱顶附近，测点布置示意图如图4所示。

图4 风压测点布置示意图（单位：m）

5 自动化监测成果分析

经过对观测资料分析通过作图法、比较法、特征值统计等方法，定性分析桥梁施工中各监测项目变化规律及其发展趋势。作图法主要是通过绘制各监测项目随时间的变化规律和趋势；以考察主要影响因素及其相关程度、变化规律等。比较法即比较同类观测量的变化规律和发展趋势是否具有一致性、合理性；与历史极值、技术警戒值、设计值比较，判断工程状态是否异常。特征值统计法，效应量最大最小值及其出现日期等进行统计比较，考察各测值在变化趋势的一致性、重现性、稳定性等。

5.1支架沉降数据分析

由于测试数据较多，本文以支架中代表性的测点数据进行展示和分析，其中拖拉支架沉降的位移时程曲线如图5所示，横梁支撑支架沉降的位移时程曲线如图6所示。

图5 拖拉支架沉降监测点位移变化分析图

图6 横梁支架沉降监测点位移变化分析图

5.2支架应力数据分析

由于测试数据较多，本文以支架中代表性的测点数据进行展示和分析，其中拖拉支架受力的应变时程曲线如图7所示，横梁支撑支架受力的应变时程曲线如图8所示。

图7 拖拉支架应力监测点应变变化分析图

图8 横梁支架应力监测点应变变化分析图

5.3现场施工环境监测分析

北海市冯家江入海口受到季节性季风影响，对冯家江大桥主桥工程施工有着很大的影响，由于监测数据量大，本文以7月份风速风向为了，风速风向玫瑰图如图9所示，温湿度如图10、图11所示。

图9 冯家江大桥处7月风速风向分析图

图10 现场温度分析图

图11 现场湿度分析图

5.4主拱肋吊装过程风压监测

由于测试数据较多，本文以钢拱肋中代表性的测点数据进行展示和分析，其中正压力的风压时程曲线如图12所示，负压力的风压时程曲线如图13所示。

图12 正压风压分析图

图13 负压风压分析图

6结语

从北海市冯家江大桥主桥施工现场采用的自动化监测数据分析图中看出，观测数据稳定、真实、可靠，主要趋势和理论计算结果比较吻合，实测数据能够准确的反映各个测点的实际情况。在施工过程中自动化监测系统也多次发出施工预警，经现场技术人员巡视找出了预警原因并消除异常状态，这也说明自动化监测系统运行状态良好能够实时的反应施工的实际状态。该桥采用了上述的自动化监测技术，为现场安全施工提供了技术保障，同时获得了大量的实测数据，为类似桥梁结构性能分析提供了必要的依据，发挥了应有的作用。