西江特大桥基于BIM技术的建管养一体化平台探究

方超 毛幸全

（广东省南粤交通清云高速公路管理中心，广东 广州 510000）

为实现广东汕（头）湛（江）高速公路清远清新至云浮新兴段西江特大桥（以下简称“西江特大桥”）在运营期内的科学信息化管养，提高管养效率，项目组开展了基于BIM（Building Information Modeling）技术建管养一体化平台技术的研究，力求通过现代化的自动化监测与安全评估，为大桥运营期内的科学信息化管养提供强大的技术支撑。

一、研究思路及技术路线

西江特大桥项目组基于大桥结构计算分析和运营期风险评估结果，构建了大桥结构健康监测系统，实时获取大桥结构的静动力响应状态。

开发对接西江特大桥建设期BIM模型的接口协议，实现“可视即可得”的桥梁可视化管养；平台基于桥群设计理念，后期可无缝扩展接入多座桥梁，同时将桥梁自定义化设计理念贯穿系统设计始终。

通过成桥荷载试验数据和结构健康监测数据修正大桥的初始有限元模型，建立温度变化与结构变形之间的基准模型，并运用统计过程控制技术监控模型残差，建立基于温度变形的悬索桥运营状态监控方法。

二、课题研究成果

（一）监测系统设计

结合大桥桥址区运营环境特点、结构受力特性和构造特点，可以确定地震动荷载监测、伸缩缝及支座位移监测、结构动力及振动特性监测、吊索索力监测、主梁的应力应变监测等方面的监测内容。

（二）建设期BIM 模型数据共享研究

项目组研究开发了健康监测系统与BIM系统的数据接口与平台，包括基于UDP协议的自动化监测数据接口、基于Web Service的统计数据调用接口，并建立了基于建设期BIM模型与健康监测相融合的一体化平台。

为实现与建设期BIM模型的数据共享与传递，满足建设期BIM模型承载桥梁结构健康监测系统监测参数，实现桥梁精细化、动态化管理，项目组研究开发了“BIM+健康监测”一体化平台。

（三）智能缆索系统监测介绍

在缆索的制造过程中，将特制的光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器植入缆索，使缆索可对自身索力及温度进行实时在线监测，使缆索从单纯承力的构件上升成为具有自动感知能力的智能缆索，无需增加外部检测构件即可实现缆索从出厂、运输、施工到运营阶段的全过程索力监测。智能缆索不仅满足了大桥缆索的健康监测要求，而且还提高了大桥的安全性，具有重要的社会意义与经济价值。

三、荷载试验期间的监测数据分析研究

为检验西江特大桥的承载能力及其工作状态是否满足设计要求，项目组开展了大桥荷载试验，试验内容包括成桥线形测量、静载试验和动载试验。在荷载试验期间，西江特大桥结构健康监测系统处于试运行阶段，部分监测数据可用于校核、验证荷载试验结果，以便更好地把握大桥的初始状态。本文详细分析了大桥主梁纵向水平位移在车辆静力加载下的变化规律。

（一）荷载试验概况

荷载试验包括北边跨跨中截面最大挠度和弯矩，中跨3L/4位置截面最大挠度和弯矩，北侧塔梁交接处最大负弯矩，以及中跨跨中弯矩和挠度、北侧塔根弯矩、南侧锚跨索股张力4个工况，每个工况从第一天23时至第二天2时结束。

各工况分别采用16辆、28辆、44辆和56辆重约350kN的载重汽车进行偏载和对称加载。为节约车辆台班、便于方案现场实施，各工况按4级加载和2级卸载，其中第一、二级加载为偏载工况（第二级加载为偏载的满载），第四级加载为对称满载加载。第一级卸载后的加载状态与第二级加载相同，第二级卸载对应于零载状态。

（二）主梁纵向位移

荷载试验单位由人工采用钢直尺测量，而在结构健康监测系统中该位移由清远侧和云浮侧梁端的4个拉绳式位移计记录（清远侧塔梁交叉处的位移计在荷载试验期间尚未安装完成），位移和温度测点分别编号。为方便比较，梁端水平位移数据以向云浮侧运动为正。

通过试验可知，工况1、3、4的加载效应非常明显，而工况2的数据因设备故障未能获得。不难发现，同一断面上纵向位移计的数据变化规律非常相似，表明主梁断面绕竖直轴的转动效应可以忽略。

在荷载试验加载期间（即每日午夜时段），主梁两端的伸缩位移呈现正相关关系（同相位），而在白天非加载时段，梁端伸缩位移表现出负相关关系（反相位）。因温度日夜变化引起的主梁伸缩位移明显大于由工况1引起的位移，这表明温度变化对桥梁变形的影响显著，有必要对数据做“温度补偿”。

通过对不同工况下车辆荷载引起的主梁纵向水平位移可知。工况3和工况4的车辆荷载较大，结构响应明显。

不难发现，两个独立测试系统的结果吻合较好，验证了彼此的正确性。同时，在车辆加载时，工况1和工况3的位移为负，说明主梁向清远侧移动；而工况4的位移为正，说明主梁向云浮侧移动。主梁沿顺桥向的运动方向与车辆荷载的重心与主梁重心的相对位置有关。

四、结语

项目组通过理论推导、有限元分析、短期（荷载试验）和长期（结构健康监测）现场实测等研究方法，延伸研究了西江特大桥在温度作用下的变形规律，得出3个结论。

1.作为柔性结构系统，悬索桥主梁可在车辆准静态加载条件下产生顺桥向平移，移动方向可通过主梁和车辆系统重心位置的变化定性解释。在运营阶段，车辆荷载对主梁纵向位移的影响不大。

2.通过建立温度与梁端纵向水平位移之间的数学模型，可识别测试数据中的异常。在测试数据准确条件下，该方法同样可用于识别结构状态的异常变化。建议补充西江特大桥主梁底板的温度数据，以便得到更精确的温度变形基准模型。

3.与传统测试技术相比，结构健康监测系统能提供更为丰富的数据和信息，有助于揭示桥梁的实际受力和工作状态。