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自动化监测技术在某铁路桥扩能改造中的应用 贾化平1 栾帅1 王文超1 王馨艺2 （1.中铁三局集团有限公司运输工程分公司,山西 晋中 030600; 2.北京安信卓越信息科技有限公司,北京 100088） Application of automatic monitoring technology in the Railway Bridge Expansion and Transformation Project 摘要：目前，国内许多桥面临扩能改造，而改造过程中受桥梁运营时间较长而导致稳定性略有降低的影响，施工过程中存在较大的安全隐患。自动化监测是建筑结构健康监测的一种衍生手段，将硬件自动采集得到的数据及其相应的软件解析，通过系统集成对这些数据信息统筹集中处理。通过对某铁路桥扩能改造过程中进行自动化监测，可以及时的发现桥梁安全隐患的位置，为后续施工提供指导和帮助，保护了施工安全。为及时识别结构损伤和分析结构变化趋势，最大程度保证桥梁安全，某铁路桥以知物云监测系统为依托，通过对自动化设备采集数据和软件内计算结果的整合，得到桥梁服役期内健康状况的持续监控与评估结果。 Abstract: At present, many bridges in China are facing capacity expansion and transformation, and the stability is slightly reduced due to the long operation time of the bridge during the transformation process, and there are greater safety hazards during the construction process. Automatic monitoring is a derivative means of building structure health monitoring, which automatically collects the data collected by the hardware and its corresponding software analysis, and collects and processes these data information through system integration. Through the automatic monitoring of the expansion and transformation of a railway bridge, the location of the bridge safety hazards can be found in time, providing guidance and assistance for subsequent construction, and protecting the construction safety. In order to identify structural damage in time and analyze structural change trends to ensure bridge safety to the greatest extent, a railway bridge relies on the knowledge cloud monitoring system to obtain continuous monitoring and evaluation results of the health status of the bridge during its service through the integration of the data collected by the automation equipment and the calculation results in the software. Keywords:Bridge monitoring; Automated monitoring; Internet of Things;zhiwu cloud 1 引言 自动化监测最早起源于对航空航天领域的荷载监测，随着结构设计的日益复杂化和智能化，结构健康监测的内容也逐渐丰富起来，目前已涵盖结构损伤监测与检测、损伤定位和趋势分析、寿命预测等众多领域。在土木工程行业中，这种与物联网结合的监测方式始于对桥梁结构的安全监测，并逐渐推广到其他形式的结构。20世纪80年代中期，各规模的桥梁开始设计并安装结构健康监测系统，最早且较为完整的健康监测系统是英国在总长为522m的Foine大桥上安装的关于应变、振动和挠度等的监测系统，用于监测桥梁运营阶段对于风载和车载的响应；我国于20世纪年代90年代中后期开始投入对特大桥梁建立健康监测系统的研究，中国香港的青马大桥和汀九桥、江苏的润扬长江公路大桥、山东的东营黄河公路大桥等等，都不同程度的搭建了监测网。 鉴于大长桥梁自动化监测系统建立的实例、为了响应中共中央国务院鼓励大力发展智慧交通的政策、为了满足对施工期间及运营期间长期监测的需求，中小型桥梁也逐渐开始用自动化监测不同程度上地取代人工现场检测的方式，迈入物联网与传统行业相结合的新时代。本文将对某中小型铁路桥采用自动化监测的优势做出概述。 2 项目背景 该项目为DK1+640段跨铁路桥，长度80m，宽度8.5m，桥面横向布置为0.5m（护栏）+7.5m（行车道）+0.5m（护栏）。桥梁上部结构采用20m+25m+20m预应力混凝土简支空心板，下部结构为柱式墩台，基础为钻孔灌注桩基础。设计荷载等级为公路II级。 图1 桥梁正面、侧面照 利用大型有限元计算程序Midas进行建模分析，全桥共分为109个节点，98个单元，建立的桥梁模型如图1.2所示： 图2 桥梁建模图 该桥运营时间较长，近期人工日常巡检发现桥墩沉降较为明显，且支座有一定程度的偏移。检测过程中，除了重车荷载，同时考虑桥面系荷载、温度荷载等，以全面考虑桥梁的最不利受力状态，移动荷载应缓慢通过桥梁，所以不考虑冲击系数的影响。检测结果如下： （a） 使用阶段正截面抗裂，不满足规范要求。
（b） 使用阶段斜截面抗裂，不满足规范要求。 （c） 使用阶段正截面压应力，满足规范要求。 （d） 使用阶段斜截面压应力，满足规范要求。 （e） 使用阶段抗弯最大，不满足规范要求。 （f） 使用阶段抗弯最小，满足规范要求。 （g） 使用阶段抗剪最大，不满足规范要求。 （h） 使用阶段抗剪最小，满足规范要求。 图3 检测结果分析 由计算结果知，当重车通过桥梁时，若不考虑加固措施，则正截面及斜截面抗裂以及抗弯、抗剪均不符合规范要求，桥梁受力超出规范规定。 运营部门考量之后决定对该桥实行针对性的加固和管养措施。加固时尽量扩大脚手架和桥梁的接触面积，以免产生严重的负弯效应，引起跨中的桥梁损害；加固之后，需对桥梁进行扩能改造以确保其长期安全运营。为了实时监测桥梁动态，需制定监测方案。由于车辆流通量较大，且计划作业时间有限，综合考虑后决定采用自动化监测的方式。 3 自动化监测在项目中的实施 3.1监测项目 根据《建筑与桥梁结构监测技术规范》（GB 50982-2014）中的相关规定，该铁路桥监测方案考虑的因素主要分为两部分： 1）应力应变监测： 同其他市政桥一样，该桥桥面直接承担着车辆荷载，应力变化最为直接，因此选取关键截面应力和支座压力进行监测，可以直接了解桥梁构件中内力的变化，并由此进行及时诊断。 2）挠度监测： 因承受着较大的运输荷载，运营周期拉长后桥体会产生不同程度的沉降。桥梁基础的偏移尤其是不均匀沉降会引起结构产生过大的附加内力、线型恶化和附属设施损坏等不良连锁反应，所以对桥梁沉降的监测直接关系到桥梁的正常运营，需从整体上把握桥梁的健康和安全状态。 由此得出桥梁的主要监测内容如下： 表1 监测内容及设备 3.2测点布设 1）主梁竖向位移测点：分别在主跨两端、跨中、1/4和3/4主跨处布设测点，每处一个，并自行选取选取一个基准点，共计6个； 2）主梁关键截面应变测点：分别在主跨跨中、1/4和3/4主跨处的每支横梁下方布设测点，每截面6个共计18个； 3）支座反力测点：一跨梁两端的支座处，每端6个，共计12个。 图4 监测截面及测点位置 4 监测数据分析 依托于北京安信卓越信息科技有限公司旗下的结构自动化健康监测平台“知物云”，对桥梁加固后监测获得的海量数据做可视化呈现。 图5 主梁竖向位移监测 图6 应变监测 图7 应力监测 上图中，支座反力与主梁应变和沉降的波动呈正相关，结构整体变化连续可观。取图6 中的最大负应变
，根据应力应力计算公式得出结构中的最大应力为
，小于《橡胶支座 第4部分：普通支座》（GB 20688.4-2007）中的容许应力
，因此改造加固后的混凝土强度满足要求；根据《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2015，最大容许变形不超过L/40，取图7中主梁最大变形为23.7653mm，远小于25m/40=625mm，因此扩能改造后桥梁刚度也满足要求。 5 自动化监测优势 与人工监测相比，自动化监测有以下优势： 1） 数据记录连续。人工检测收集的数据是点式的，进行分析时点与点之间的结构物状态只能通过经验去推测，全过程数据的可靠性存在一定的断层现象[2] ；而自动化监测依靠设备在自定义采集粒度的基础上进行24 小时不间断记录，在保证传感器数据采集稳定的情况下，收集的数据可以连成一条线[3,4] ，不存在人为判断失误而导致分析有误的现象。2）人为干预降低，数据准确性提高。人工检测多靠肉眼去记录采集，数据误差取决于工人技术的熟练程度[5]，即便现场仪器测量数据，也受人为记录误差的影响，而自动化监测记录的数据，所采即所现，数据的真实性完全不受人为原因的干预。 3）及时预警。结构物安全状况的突变是很难靠人工去现场“偶遇”到的[6]，不能将安全依靠在概率性问题上。得益于自动化监测数据收集的连续性，可以在PC端或者移动端第一时间知晓结构物的变化情况，在其安全状态发生变化时第一时间发出预警，时间周期可以贯穿结构物施工与运营的全过程，从而为建设和管养单位提供安全数据。 4）符合去人力化的社会发展趋势[7]。传统人工检测需定期去项目现场采集数据，而自动化监测只需初次安装设备，此后很长一段时间都是设备无线信号传输数据；同时，自动化采集不受复杂气象和现场偏远交通不便的限制，在保证设备无阻碍运行和通讯信号稳定的情况下，即可正常采集[8]。 5）降低长期成本。人工检测需要多次出入现场，交通费用及设备费用虽然在短时间内少于自动化监测模式，但将时间线拉长之后这将是一笔不小的支出。因此在结构物施工期较长或是监测贯穿整个施工和运营期间的情况下，自动化监测将会是最优的选择[9]。 6 结论 经综合分析，该铁路桥观测关键指标衰变加速度不明显，桥梁未受到明显外荷载的影响；桥梁应力与变形监测数据实际值符合规范要求且变化平稳，其健康状态未有明显改变，目前为止结构安全。 本项目通过测量应变间接测量支座反力的做法，减少了工程实施困难和对原有建筑结构的扰动，并且得到了良好的观测数据，该做法可供同类项目借鉴；同时，该健康监测案例验证了自动化监测在某些基础设施建设中实施的可能性，并且由于其对数据准确性和实时性更为便捷的把控，在一定程度上为自动化健康监测在交通行业建筑物上的普及提供了方向。 尽管自动化监测平台能够对数据进行统筹处理，但由于海量数据的堆积，势必会对服务器造成一定的压力。因此，如何打破技术壁垒，在日益积压的数据之下保证服务器的正常运营，将会是我们下一步要解决的问题。 参考文献 [1] 贺光福. 健康监测平台在热力管线施工项目中的应用[J]. 山西建筑, 2017, 043(007):247-249. [2] 王玉田, 范思广, 姜福香,等. 城市地铁车站基坑施工变形监测与数值模拟[J]. 青岛理工大学报,2019, 040(006):1-7. [3] 程咏春.公路桥梁健康监测技术应用[J].山西建筑,2019,45(15):104-105. [4] 程咏春, 郭铁春, 仇成龙. 贵隆高速边坡群在线安全监测系统应用研究[J]. 湖南交通科技, 2019,v.45;No.209(02):42-47. [5] 胡爱勇, 张红喜, 唐科学. 上海某建筑物纠偏过程中的在线实时监测及数据分析[J]. 中国建材科技, 2019, v.28;No.167(05):10-12. [6] 王晓光, 林远志, 党李涛. 自动化监测技术在斜拉桥中的应用[J]. 公路交通科技(应用技术版), 2019, v.15;No.180(12):254-257. [7] 孙秀和.自动化监测系统平台在桥梁安全监测中的应用[J].山西建筑,2020,46(19):194-196. [8] 池玮波,胡岳岚,袁国梁,李东旭,夏振勇.谈自动化监测在深基坑项目中的应用[J].山西建筑,2021,47(05):83-84. [9] 熊飞,牟谷一,袁彬彬.自动化监测在基坑施工中的应用[J].智能建筑与智慧城市,2021(10):51-52.
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