大型桥梁工程施工和运营一体化融合监测方法研究

陈立 徐军荣

摘要：简述了之江大桥工程概况，介绍了桥梁施工和运营监测系统以及特殊事件监测管理，阐述了施工和运营的一体化融合监测方式及其指标体系，通过之江大桥位移指标的一体化融合监测，展现了其特殊的优越性，具有较好应用价值。

关键词：大型桥梁；施工与运营；融合监测；方法研究

0   引言

近些年来，国家有关部门对桥梁工程施工与运营监测越来越重视。拱形钢塔斜拉桥作为一种具有复杂结构形式和较高技术要求的桥梁类型，对其施工和运营过程中的监测方法提出了更高的要求。为了实现对大型拱形钢塔斜拉桥施工和运营状态的准确监测和评估，建立施工与运营一体化监测方法显得尤为重要。

1   工程概况

之江大桥（又称钱江七桥）是中国浙江省杭州市一座跨越京杭大运河的拱形钢塔斜拉桥，也是中国第一座拥有双层公路和高速铁路的斜拉桥。主桥全长4780m，其中主跨长2288m，是当时世界上跨度第二大的斜拉桥。主梁采用榀形钢箱梁结构，总质量达到11500t，是目前世界上悬索斜拉桥中自重最大的梁式结构。主桥索塔高205.6m，是当时世界上最高的斜张桥塔。主桥斜拉索采用双向斜拉形式，每一侧都由70根斜拉索组成。斜拉索采用锚固式端头固定，能够强制性锁住整个索束，防止塔身出现位移并增加整座桥的安全性。

2   桥梁施工和运营监测系统

2.1   桥梁施工监测系统

施工监测系统的作用是对斜拉桥梁施工过程进行实时监测，以确保施工质量和施工安全。具体包括以下5个方面：一是建筑设备监测。监控各种与施工相关的设备，包括起重机、车辆、钻机、爆破机等，以确保它们的运行安全和正常使用。二是施工现场监测。利用视频监测系统对斜拉桥梁施工现场及其周边环境进行监测，并对施工现场人员的作业情况进行监督，以便及时管理。三是施工测量监测。测量斜拉桥梁结构在施工过程中的变形和位移等参数，对监测数据进行实时分析，确保施工质量和桥梁结构安全。四是施工安全监测。监控施工现场的安全状况，包括施工过程中的安全隐患和施工过程的安全状态，以便及时采取应对措施或应急预案。五是数据分析决策。对收集到的各类监控数据进行汇总、处理和分析，形成相关文件和图表，以便实时掌握施工进度和质量情况，及時做出决策。

2.2   桥梁运营监测系统

桥梁运营监测系统是一种旨在提高桥梁运营安全性和可靠性的自动化监测系统。通过传感器并采用无线通信技术，实时监测桥梁的结构变化，采集桥梁的结构应变和振动，天气的温度和湿度，河水的流量及水位等各种重要数据。通过数据传输、数据存储和数据处理，转化为有用的信息，并以图形化的界面提供给用户实时查看和分析。桥梁运营监测系统可以提供桥梁运营全过程的实时监测，通过监测数据对桥梁的结构状况、承载能力、安全性能、磨损损坏、环境影响等多方位运营状况进行评估，从而加强桥梁运营期间的管理，及时对桥梁进行维护保养、改进桥梁管理工作。此外，桥梁运营监测系统还有利于发现桥梁上的突发事件并做出快速反应[1]。

2.3   特殊事件监测管理

针对桥梁在运营过程中可能遭受的自然灾害、船舶撞击、超重车通行等突发性损伤与破坏，本文提出了一套系统化的桥梁发生特殊事件管理体系[2]。这个管理体系包括对突发事件发生时桥梁状态的监测，对特殊事件的安全性分析、预警与应急措施，以及后期维修养护建议等。

该特殊事件管理体系需要利用先进的桥梁运营监测系统，通过实时监测桥梁运营状态来实现。高精度的传感器将监测到的桥梁发生特殊事件时的桥梁振动和变形等数据，传输给控制器并记录下来。针对桥梁特殊事件数据，应用专业的风险评估方法识别特殊事件的的性质和严重程度。桥梁运营期间间特殊事件管理体系如图1所示。

3   施工和运营的一体化融合监测

3.1   融合的含义

桥梁施工监测系统与运营监测系统融合，是指将二者的监测工具、监测方法和数据融合在一起，以实现对桥梁施工和运营状态的全面监测和管理。这种融合起来的系统，将帮助桥梁工程领域实现更高效的监测，管理和服务，提高桥梁的可持续性和使用性能。在融合系统中，相关人员能够更好地监测桥梁施工的过程，能够及时改进施工质量并优化运营过程。这种融合系统的开发需要集成和结合多种技术和方法[3]。

3.2   硬件融合

在施工监测与运营监测系统的融合中，硬件融合是必不可少的。为了保证施工监测和运营监测的无缝衔接，需要选用具有相同通讯协议和数据格式的硬件设备，例如传感器、数据采集仪、控制器等。在选用硬件设备时，还需要考虑设备的可靠性和耐用性，以保证设备的稳定性和持久性。

3.3   软件融合

在施工监测与运营监测系统的融合中，软件融合也非常重要。为了保证器无缝衔接，需要使用具有互相兼容的软件平台或软件接口，以实现数据的实时传输和共享。例如，可以采用标准化的数据格式和交互协议，并利用开放式的API接口，确保不同软件之间的数据交换和共享方便快捷。

3.4   传输方式融合

在施工监测与运营监测系统的融合中，传输方式的融合必不可少。为了实现数据的实时监控和共享，可采用多种传输方式进行数据传输，例如有线传输、无线传输、互联网传输等。在选择传输方式时，需要同时考虑传输速度、传输距离、传输稳定性以及数据的安全性等因素，以确保数据传输的实时性和完整性。

3.5   数据融合

在施工监控与运营监测系统的融合中，数据融合也是重要的方面。通过将施工监测和运营监测所涉及的数据进行有机融合，建立一个全面而完整的数据模型，用于进行系统的分析和评估。同时，为了保障数据的准确性和可靠性，需要建立定期的数据清理和更新机制，并采用多种数据分析工具进行数据挖掘和分析，以获取更为精准和有效的数据分析结果。

4   一体化融合监测指标体系

4.1   硬件指标

用于之江大桥施工和运营的一体化融合监测系统的硬件，包括传感器、采集器、通信模块、控制器、计算机等。这些硬件的关键指标包括灵敏度、分辨率、精确度、可靠性和稳定性等。其中灵敏度、分辨率和精确度是指传感器等硬件对测量值变化的反应能力，能够捕捉到最小测量值变化，测量值与真实值之间的偏差最小；可靠性和稳定性是指硬件在长期使用中的故障率低，且能适应各种不利环境条件。因此，在建设中需要选择具有高性能和可靠性的硬件设备，以确保监测系统的准确性和可靠性。

4.2   软件指标

用于之江大桥施工和运营的一体化融合监测系统的软件，包括计算机软件及其功能。这些软件的功能包括数据采集、实时监测、数据处理、数据存储、数据分析和报告生成等。重点指标包括实时性、准确性、可靠性和稳定性等。其中，实时性是指软件能够及时处理和响应各种警报，准确性是指软件能够正确地处理和分析不同类型的数据，可靠性是指软件能够在长期运营中正常工作，稳定性是指软件能够在各种环境条件下稳定工作。为了确保软件的高效、准确和可靠性，应选择性能稳定的计算机。

4.3   传输设备指标

用于之江大桥施工和运营的一体化融合监测系统的传输设备，包括通信传输设备、网络设备和存储设备等。这些传输设备的关键指标包括传输速率、带宽、稳定性和可靠性等。传输速率和带宽是指设备传输数据的速度和容量，稳定性是指设备在各种环境条件下的稳定性能，可靠性是指设备在长期使用中的故障率。在选择传输设备时，需要认真考虑传输设备上述性能指标。

4.4   数据格式指标

用于之江大桥施工和运营的一体化融合监测系统的数据格式，包括测量参数、单位、时间和地理位置等元素。数据格式的关键指标包括数据精度、数据压缩率、数据可读性和数据传输效率等。数据精度是指数据的测量精度，数据压缩率是指将原始数据压缩为较小文件的比率，数据可读性是指数据易于理解和处理，数据传输效率是指数据在传输过程中的速率和有效率。为了确保数据的可靠性、精度和传输效率，应该采用规范化、标准化的数据格式，并对采集、处理和传输的数据进行验证和校验。施工和运营融合监测的指标体系如图2所示。

5   之江大桥位移融合监测案例

5.1   位移监测实施方案

之江大桥的位移一体化融合监测的主要部位是悬索塔、桥塔、桥面，监测内容主要采用位移传感器监测桥体的挠度变化。为了确保监测数据的准确性和可靠性，要充分传感器的安装位置、数量和布局，监测数据的处理和分析方法，数据的实时传输和存储等方面。

融合监测系统采用静力水准仪和GPS定位，具有经济适用、准确性高、实时监测等特点。该监测系统对之江大桥的挠度进行22个测点的实时监测，其中18个测点使用静力水准仪进行监测，4个测点使用GPS进行监测。该融合监测系统融合监测点布置如图3所示。

图3中，圆点代表静力水准仪测点，三角代表GPS测点（不包括塔顶的2个GPS测点）。将2台静力水准仪设置在3#墩上方，分别作为上下游独立测试组，单个静力水准仪可测量桥梁整体挠度和线形。

跨中位置最敏感，因此布置了2个GPS测点，可以测量跨中挠度、桥梁纵向和横向位移。GPS测量数据可与跨中静力水准仪的测量数据进行对比和自诊断，确保测试数据的准确性。

5.2   位移监测实施方法

5.2.1   选择和布置传感器

根据大桥实际情况，选择合适的传感器并合理布置。选择的传感器应与实测参数和要求相匹配，一般包括万能应变计和倾斜计。在悬索索塔和桥塔部分，使用多个传感器进行监测，以确定不同位置的变形情况。

5.2.2   数据处理与分析

监测数据采集后，需要对数据进行实时处理和分析。其中包括对位移数据、温度数据、风速等自然环境因素的数据进行处理、清洗。还需要对数据进行二次处理，例如把原始數据进行差分处理，得到速度、加速度等变量，然后进行纠正。

5.2.3   数据传输和存储

数据传输和存储应具备实时性和可靠性。传输采用无线方式，监测数据直接通过传感器发送到数据中心。数据存储采用分布式方式或云存储方式，确保数据安全性和便捷性。

5.2.4   损伤识别

通过对挠度监测数据的处理和分析，结合桥梁结构设计和施工记录，进行损伤识别。通常使用小波变换、人工神经网络和遗传算法等处理方法进行损伤识别。

6   结束语

本文以之江大桥工程为例，探讨了施工和运营两个监测系统的一体化融合监测方法，提出了施工和运营融合监测方式、指标体系和特殊事件监测管理的新概念，通过实施体现了一体化融合监测系统的智能化水平，有提高了监测效率效，降低了监测成本，具有良好应用前景。

参考文献

[1] 李若涛，刘毅，拱形钢桥塔斜拉桥结构健康监测与评估研究[J].世界桥梁，2018，46（6）：88-92.

[2] 邓江流，论测试技术在斜拉桥改造中的实践[J].工程抗震与加固改造，2021，43（6）：172.

[3] 王文强，王佐才，辛宇.倾斜式拱形钢塔斜拉桥施工力学性能分析[J].安徽建筑，2021，28（7）：160-163.