基于物联网的悬浇箱梁桥施工监控技术分析

摘要 大跨径变截面连续箱梁桥施工中，过程控制至关重要，直接影响成桥质量。文章以某公路悬浇桥为例，首先运用Midas Civil建立有限元模型，通过数据分析与实时参数调整，实现精准控制；然后结合物联网技术，实现桥梁的实时监测与智能化，保障施工安全与成桥性能。结果显示，桥梁合龙精度与应力状态均达标，验证监控策略有效。该研究确保桥梁安全与设计线形一致，为同类桥梁施工提供科学监控体系与技术范例，具有显著的工程实践意义。

关键词 有限元模型；应力状态；线形；物联网

中图分类号 U415 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）24-0005-03

0 引言

大跨径悬浇箱梁桥的建设过程极为复杂，涉及众多工序与多变因素，对桥梁内力分布与线形控制有显著影响。若微小偏差不能得到有效控制，将会累积并导致严重的质量问题和安全隐患[1-2]。为确保悬浇箱梁桥的施工质量和安全性，全面精细的施工过程监测至关重要。该文以某公路悬浇梁桥为例，依托深厚理论基础与先进技术，采用预测控制法[3]作为主要施工控制手段，通过综合运用正施工法与倒施工法的迭代计算技术，构建精准的理论预测模型，并借助最小二乘法等[4]参数识别工具进行持续的优化调整。同时，国内丰富的实践经验、先进的结构响应测试技术及成熟的有限元计算软件，均为施工控制提供了强有力的技术支撑[5-6]。

传统桥梁监控系统依赖人工，受主观影响且效率低。该公路悬浇梁桥工程引入物联网技术，构建智能化施工监控系统。物联网通过互联网连接物理设备，利用传感器、软件和网络，实现高效智能的数据收集与分析[7]，其核心在于设备互联与通信，实现智能化管理[8]。物联网技术融入桥梁监控，是高效智能监测的必然选择，能够构建全方位的安全监测系统，以确保桥梁安全。物联网在桥梁监测领域的广泛应用，为桥梁安全建设与运营提供坚实保障，成为推动未来发展的重要力量。

该文以（55+95+55）m变截面连续箱梁桥为背景，桥宽11 m，桥台为肋式与板凳式，桥墩为箱形，基础采用钻孔灌注桩。上部为单箱单室连续刚构，中部支点的梁高5.2 m，边跨直线段及主跨中点2.4 m，高跨比分别为1：18.3和1：39.6，梁高变化遵循二次抛物线。箱梁横截面为单箱单室直腹板，顶板宽11 m，底板宽6 m，两侧翼缘悬臂延伸2.5 m。

1 施工监控仿真计算

1.1 结构计算模型

该文采用桥梁专业有限元软件Midas Civil，对桥梁结构进行离散化建模，含89个梁单元和90个节点，并随监控进展适时调整，确保模型精准反映桥梁的实际构造与受力。通过模拟计算预测各阶段的施工位移，实施正倒装闭合计算并验证实际位移，为施工监控提供理论参照，以确定实际的施工高程。同时，对比现场位移数据与理论值，及时发现偏差并进行优化调整，确保施工精准。

1.2 模型参数误差分析与修正

桥梁施工监控通过四大核心步骤确保精准控制，分别如下：

（1）监测。利用先进技术和实时监测的关键参数，如结构变形和应力变化，为后续分析提供基础。

（2）数据收集。持续收集现场数据，真实反映桥梁状态。

（3）偏差纠正。根据监测结果调整高敏感性的参数，缩小理论计算与实际测量的差距。

（4）预测。基于调整参数预测下一施工阶段，确保连续性和准确性。

四个步骤相辅相成，形成闭环系统，通过事前预测、事中控制及事后修正，实现对桥梁施工全过程的精确监控和及时调整，确保施工质量和安全[9-10]。

2 基于物联网的桥梁监控系统

物联网技术融入桥梁监控，实现智能化、网络化，实时监测桥梁结构的受力、变形，精准评估安全性，预警潜在风险，构建全方位的安全体系。采用无线传感器网络，广泛部署传感器，以全面获取结构数据，其低功耗、高性价比的优势促进了健康监控云平台的发展，使监测评估更智能、更高效，不断优化现有体系，为未来桥梁建设提供完善的监控方案。

2.1 桥梁监控系统

桥梁监控系统集传感器、数据采集与传输、数据处理及安全预警于一体。

（1）传感器系统。主要分为结构强度、震动、荷载及静动态监测四大类，利用应变仪、测力计、平衡加速度传感器、风度仪、强震仪、倾角仪、位移计和GPS等设备，全面监测桥梁的应力应变、振动冲击、自然荷载及沉降倾斜等状态。

（2）数据采集与传输系统。借助物联网技术和通信线缆，实时采集并传输信息至健康监控云平台，利用云计算和大数据处理能力实时分析桥梁的健康状态。

（3）数据处理系统。智能化筛选并分析大量的监测数据，提高处理效率。

（4）安全预警系统。通过实时界面提示、信号、短信等方式进行预报警，包含报警模块和报警设置模块，根据预设值进行不同等级的预警，分为红色（危险）、橙色（警戒）、黄色（异常）和绿色（正常），分别对应不同级别的安全隐患，以确保桥梁安全。

2.2 监控云平台的搭建

物联网技术为桥梁监控带来了革新，信息的采集与传输主要依赖通信线缆和无线传感器网络，采用Zigbee协议确保数据同步传输。数据通过树形网络结构收集，经无线网络发送至汇集节点，再通过网关节点利用GPRS网络传送至健康监控云平台，实现实时监控。

云平台作为桥梁监控系统的核心，具备三大功能：桥梁基础信息管理，构建全面的桥梁信息库；实时桥梁监控，接收并展示传感器数据，触发报警；桥梁承载评估与预警，运用大数据处理技术评估桥梁的安全性，提前识别风险。

云平台架构由硬件层、数据层、组件层、应用层及服务层构成。硬件层提供基础设施支持，数据层确保数据的完整性与即时性，组件层实现跨品牌传感器的快速接入，应用层提供桥梁监测应用系统，服务层专注于预警信息管理、智能数据分析与评估。

在软件应用层面，云平台涵盖数据采集与处理、数据库、用户界面及移动端应用子系统，共同构成软件核心，为桥梁健康监测提供全面支持。

3 施工监控技术实施

3.1 线形监测

在施工过程中，随着主梁悬臂的长度变化，结构内力和主梁标高也处在实时变化中。根据大跨度连续梁桥的结构构造及受力特点，结合过往控制经验，连续梁桥施工控制主要进行线形控制与应力控制，对主梁标高与应变进行监测，兼顾结构温度量测。当应力与线形控制出现冲突时，在不影响结构安全性的前提下，调整结构线形处于可控范围，确保桥梁顺利合龙。该桥线形监测采用光纤超声波三维位移传感器。为控制悬浇箱梁桥各梁段的标高，在每个梁段的端部截面混凝土顶部设置3个位移监测点。

3.2 应力监测

结构安全是施工过程中的重点关注问题。监测施工过程中结构的应力变化与设计应力是否吻合，及时发现异常情况，尽早调整后续工序。按照连续箱梁的结构与受力特点，该桥共布置8个应力监测关键截面，其中每个截面箱梁上各布置4个光纤光栅温度传感器、4个无线应力传感器，顶底板各2个监测截面，主要包括了悬臂根部、中跨1/4和3/4截面、边跨L/2截面。

3.3 主要施工阶段线形监测成果

连续梁桥跨结构的合龙是工程成功的关键，其精度是衡量施工控制成效的重要指标。因桥面设计存在高差，合龙误差需排除坡度导致的标高差异。跨中合拢前，主梁梁面标高数据（如表1所示）显示，上下游测点高差值（0.020 m）在扣除坡度影响（0.014 m）后，合拢精度为0.006 m，符合要求的0.020 m以内，这表明施工控制技术有效确保了主梁合龙精度及结构的顺利合龙。

梁段施工涵盖模板安装、混凝土浇筑、预应力张拉及挂篮前移等步骤。表2对比了合龙前主梁关键节段的实测与理论挠度，后者则是基于有限元模型进行的计算。结果显示，同一断面梁段3测点的实测挠度相近，且因遵循预抛值设置，实测与理论高程的偏差小于20 mm，满足施工控制标准。

梁段合龙并完成桥面铺装前，全面测量主梁标高。如图1所示，实测与设计标高的对比显示，线形高度一致，偏差小于20 mm，达成施工控制目标。因纳入预拱度考量，实测标高略高于设计。

3.4 应力控制效果

在悬浇箱梁桥施工中，应控制截面测点的主要受压。以1#墩箱梁根部截面为例（负值表示压应力），如图2所示，各施工条件下的最大压应力（-9.7 MPa，无拉应力）均低于设计极限（-22.4 MPa），且实测应力趋势与理论预测相符，确保了结构安全。

4 结论

（1）利用Midas Civil软件建立了精细有限元模型，结合实时监测，确保了施工安全与成桥性能，应力状态良好，验证了监控策略的有效性。

（2）部署多种传感器，结合物联网技术，构建了健康监控云平台，实现桥梁状态的实时监控。

（3）中跨合龙段的计算结果与实际高差分别为0.014 m和0.020 m，合龙精度为0.006 m，满足要求，验证了理论模型与施工控制技术的可靠性。

（4）持续应力监测确保了结构安全，实测应力保持在限值范围内，与理论预测相符，保障了桥梁整体安全。

参考文献

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