大跨径悬索桥荷载试验智能化指挥平台系统设计与实施.pdf

世界桥梁 2023年第51卷第S1期（总第224期）World Bridges#Vol.51,No.S1#2023（Totally No.224138DOI：10.20052/j.issn.1671-7767.2023.SI.021大跨径悬索桥荷载试验智能化指挥平台系统设计与实施刘金平刘金平12，蔡正东，蔡正东12,张华兵张华兵12,叶 敏叶 敏12(1.桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北武汉430034；2.中铁大桥科学研究院有限公司，湖北 武汉430034)摘 要摘 要：为解决大跨径悬索桥荷载试验测试参数多、人工传输数据效率低且易出错的问题，以宜昌伍家岗长江大桥为背景，设 计了大跨径悬索桥荷载试验智能化指挥平台系统&荷载试验智能化指挥平台系统包括模型子系统、环境参数子系统、位移子 系统和视频监控子系统，分别实现了桥梁数字化模型展示、环境条件采集和分析、结构位移测试和现场视频监控功能&采用 该系统对该桥荷载试验过程中温度、风速、加劲梁位移、主缆位移和支座位移等进行了测试，大大提高了现场试验的工作效 率。该系统在伍家岗长江大桥上成功实施，有效地解决了大跨径悬索桥荷载试验现场控制不及时的问题，通过对试验现场各 参数快速、集成、形象地反映，为桥梁现场试验指挥和后续加载提供正确的决策信息&关键词关键词：大跨径悬索桥；荷载试验；智能化指挥平台系统；环境参数；位移；视频监控中图分类号中图分类号：U448.25；U446 文献标志码:文献标志码:A 文章编号：文章编号：1671-7767(2023)Sl-0138-061概述概述桥梁荷载试验主要是通过在桥梁结构上施加与 控制荷载等效的静态外加荷载，采用检测仪器测试 桥梁结构控制部位与控制截面的力学响应，从而确 定桥梁结构实际工作状态与设计期望状态是否相 符,是检验桥梁性能及工作状态(如结构的强度、刚 度)最直接、最有效的办法。悬索桥为柔性结构，结 构刚度小，跨越能力强，几何非线性突出，结构受力 复杂其荷载试验测试参数较多。以往荷载试验 过程控制往往由各测站负责人运用对讲机逐一报送 各观测点的数据,试验指挥人员通过记录数据，并与 理论计算值对比分析，确定结构安全后再通过对讲 机发出下一级加载指令，整个加载过程缓慢，且容易 因为试验时间过长、各测站人员的失误等导致 数据传达错误。为解决该问题，设计荷载试验智能 化指挥平台系统，将所有关键测试数据集成展示，确 保试验过程中各关键参数测试结果能够及时反映，为试验指挥决策提供准确依据。本文以宜昌伍家岗 长江大桥为背景，进行荷载试验智能化指挥平台系 统设计。宜昌伍家岗长江大桥为大跨径钢箱梁悬索桥，主 缆跨度布置为(290+1 160+402)=,主跨主缆垂跨 比为1/9,矢高128.889=&加劲梁中跨跨径 1 160=,采用整体式流线型钢箱梁结构，钢箱梁全宽 34.7=,中心线处梁高2.8=&吊索采用销接式，纵 向间距15=,横向间距26.5=。主桥立面布置如图1 所示,1/2钢箱梁标准横断面如图2所示&根据公路桥梁荷载试验规程5-和城市桥梁 检测与评定技术规范6-，大跨径钢箱梁悬索桥测试图图1宜昌伍家岗长江大桥主桥立面布置宜昌伍家岗长江大桥主桥立面布置Fig.1 Elevation view of main bridge of Wujiagang Changjiang River Bridge in Yichang收稿日期：收稿日期：2021-0914基金项目基金项目：国家档案局科技项目计划湖北项目(2022-X-011)Science and Technology Program of National Archives Administration of China in Hubei Province(2022-X-011)作者简介：作者简介：刘金平(1979),男，高级工程师2002年毕业于湖南大学交通土建工程专业，工学学士 2012年毕业于武汉理工大学交通运输工程 专业，工学硕士(E-mail：)。大跨径悬索桥荷载试验智能化指挥平台系统设计与实施 刘金平，蔡正东，张华兵，叶 敏139眾胆舷呻栏设计高程34.7/23.75 十 3.75 十 3.5 机动车道 机动车道 机动车道書防撞护栏 路缘带单位：m图图2 1/2钢箱梁标准横断面钢箱梁标准横断面Fig.2 Half cross-section of typical steel box girder 内容主要包括结构响应参数测试、环境参数测试和 结构重点部位观测3类7切，因此伍家岗长江大桥荷 载试验具体测试参数如下&（1）结构响应参数：主缆位移（主跨4分点）、加 劲梁位移（主跨16分点）、桥塔偏位（南、北塔顶）、伸 缩缝和支座位移（南、北两侧）、阻尼器行程位移（南、北两侧）、钢箱梁应力（主跨4分点）、桥塔根部应力（南、北塔根部）、吊杆索力增量（索力增量最大的72 号吊杆处）、锚跨索股索力增量（选择5根索股进行 测试）&（2）环境参数：温度、湿度、风速和风向（主跨 跨中）&（3）结构重点部位：阻尼器、伸缩缝、支座垫石、支座、锚头、吊杆、吊耳、加劲梁焊缝、隧道锚、塔柱钢 桁架、主索鞍和散索鞍等构件&为保证大桥荷载试验加载安全，对试验过程进 行分级加载控制，并依托上述测试重点参数建立和 研究该桥的荷载试验智能化指挥平台系统&2荷载试验智能化指挥平台系统设计荷载试验智能化指挥平台系统设计荷载试验智能化指挥平台系统的设计目标是通 过荷载试验指挥平台快速、集成、形象地反映桥梁各 关键测试参数在试验荷载作用下的响应,为桥梁现场 试验指挥和后续加载提供正确的决策信息&大跨径 悬索桥荷载试验智能化指挥平台系统包括模型子系 统、环境参数子系统、位移子系统和视频监控子系统,分别实现了桥梁数字化模型展示、环境条件采集和分 析、结构位移测试和现场视频监控功能&系统布置应 遵循以下原则1012-：系统显示内容应直观;显示 参数的测试结果应直接且受外界干扰因素较少&根 据上述原则，智能化指挥平台系统设计界面包括工况 名、环境参数、桥塔偏位、支座位移、加劲梁位移、主缆 位移、加载区和停车区的视频监控等内容&与依靠人工采集、人工集成数据后再分析的传 统大跨径悬索桥荷载试验相比，该荷载试验智能化 指挥平台系统具有以下优势：通过硬件无线传输,远程采集现场数据，将采集结果通过无线通信网络 主动上传至智能化指挥平台，并通过数据处理功能 进行实时分析、预警&通过可视化大屏，采用三维 视图实时展示当前工况测试内容、测点布置，动态监 测各小组测试过程&利用高清摄像头，动态监测 车辆加载状态，实时显示各加载车辆的位置与动态,对所有加载车辆实行统一调度，提高车辆调度效率 以及夜间调度的便捷性&不再需要现场负责人频 繁往返查看现场人员的安全情况，而是通过高清摄 像头实时监督，确保安全&3荷载试验智能化指挥平台系统实施荷载试验智能化指挥平台系统实施3.1 模型子系统荷载试验智能化指挥平台系统界面模型子系统 通过将MIDAS有限元模型导入BIM软件中，生成 更生动形象的三维实体BIM模型（见图3）1315-。BIM模型显示出车辆、环境、人员等实际位置信息,现场指挥人员可通过点击相应位置及时了解当前车 辆加载情况和人员所处位置&（b）系统界面涂色模型图图3 三维实体三维实体BIM模型模型Fig.3 3D solid BIM model3.2环境参数子系统 环境参数子系统主要实现了环境条件的采集和 分析功能，测试内容包括温度、湿度、风速和风向，测 试仪器采用便携式气象站&便携式气象站是一款便 于安装、使用方便、测量精度高、集成多项气象要素 140世界桥梁 2O23,51(S1)的可移动观测系统，该系统采用新型一体化结构设 计，可采集温度、湿度、风速和风向等多项信息，配合 DTU（串口数据通过无线通信网络进行传送的无线 终端设备），实现网络远程数据传输和网络实时气象 状况监测&荷载试验中便携式气象站布置在桥梁主 跨跨中处（见图4）,测试得到试验过程中温度及风 速变化如图5所示&由图5可知：整个试验过程温 度变化在2 C以内，表明试验过程温度恒定，满足规 范要求的“荷载试验应在气温平稳的时段进行）试 验过程中风速为0.26.2 m/s。测，采用无线传输设备实时传送数据到智能化指挥 平台。由于该桥主缆位移较大，理论计算主缆竖向最大 位移为2.7 m,而分级加载过程中加载前、后2级之间 主缆位移差值超过了 1.0 m，来卡TS60测量机器人 无法自动读数，只能采用人工读数，测试数据通过智 能化指挥平台人机交互功能输入到指挥平台界面&来卡TS60测量机器人布置在桥梁北侧通视条 件较好的岸边，桥塔偏位和主缆位移测点布置如图 6 所 示。图图4便携式气象站布置便携式气象站布置Fig.4 Layout of portable meteorological station时刻（a）现场温度-S 10 r2021-07-2123:32 23:48 00:05 00:22 00:38 00:55 01:03时刻（b）现场风速图图5现场温度及风速实测曲线现场温度及风速实测曲线Fig.5 Measured field temperature and wind speeds3.3位移子系统3.3.1桥塔偏位和主缆位移测试桥塔偏位测试采用匹配徕卡TS60系列测量机 器人的无线传输设备和数据监测软件，通过测量机 器人对桥塔水平偏移过程中的观测点进行实时观 图图6桥塔偏位和主缆位移测点布置桥塔偏位和主缆位移测点布置 Fig.6 Layout of gauges to measure tower o fse7and main cable displacemen73.3.2支座位移测试荷载试验支座位移测试采用拉线式位移计和 DTU进行数据传输，在主桥南、北塔下横梁上支座 各布置1个拉线式位移计（见图7）。试验加载过程 中北塔支座位移变化曲线如图8所示，其中每一个 凸点或凹点即为某一工况满载持荷时支座位移值,通过试验持荷值（试验满载持荷时支座位移值）与试 验加载初始值（试验加载前支座位移初始值）之差可 得支座位移测试结果&拉线式位移计云终端DTUDTU4G卡4（；卡图图7支座位移测点布置支座位移测点布置Fig.7 Layout of gauges to measure bearing displacement 3.3.3加劲梁位移测试加劲梁位移测试采用在桥面16分点处布置 BDM-.型数字式挠度仪&数字式挠度仪基于液-气 耦合压差传递机理，有效消除了开放式连通管因管大跨径悬索桥荷载试验智能化指挥平台系统设计与实施 刘金平，蔡正东，张华兵，叶 敏141图图8北塔支座位移变化曲线北塔支座位移变化曲线Fig.8 Bearing displacement change at north tower壁与液体之间的相对流动而产生的粘滞阻尼及毛细 效应，提高了测量精度&在桥面上、下游两侧各布置 多套BDM-.型数字式挠度仪，将该数字式挠度仪 通过四芯双绞屏蔽线串联起来，然后全部连接到集 线器，最后通过DTU将上、下游两侧数据传输到端 口&综合各种外界影响，测试系统实际现场精度可 控制在士 0.1=以内，且可在环境温度一20 70 C下正常运行&主梁位移测点布置如图9所示&图图9加劲梁位移测点布置加劲梁位移测点布置Fig.9 Layou7ofgauges7omeasuresifeninggirderdisplacemen73.4视频监控子系统视频监控子系统主要是通过对桥面加载区和停 车区进行视频监控，及时了解桥面车辆加载到位情况以及现场人员安全情况&在主桥南、北塔塔顶布 置球机摄像头，在北塔塔柱上布置枪机摄像头，将现 场实施监控画面传输到智能化指挥平台&视频监控4实施效果实施效果根据该大跨径钢箱梁悬索桥荷载试验实施方 案，荷载试验共计14个加载工况（见表1）,9个试验 加载轮位，满载工况需要车辆数量为48台&传统方式进行荷载试验主要有以下步骤:初读、分级加载、测试读数、上报关键部位测试指标、分析 测试指标是否正常、发布进行下一级加载指令5灯&上述测试流程中因为涉及到的参数和人员较多，技 术人员与指挥控制人员需要经过多次核对才能确保 记录的数据正确，最后通过实测数据和理论值对比 分析，确认安全后方可进行下一级加载，该过程往往 需要持续12 h。而通过所设计的荷载试验智能 化指挥平台系统，各个关键参数数据可在试验车辆 加载到位的持荷时间内实时上传到系统界面，以供 指挥控制人员直接通过界面上的数据分析判断并作 出决策，及时发布下一级加载指令，每个工况加载到 表表1荷载试验加载工况荷载试验加载工况 Table1 Loadingcasesinload7es7加载工况加载内容加载效率1对加劲梁*2处最大竖向位移对称加载0.962对加劲梁*/4附近最大竖向位移对称加载0.923对北侧加劲梁梁端最大纵向位移对称加载0.864对加劲梁*/4附近断面最大正弯矩对称加载0.86规范要求必做加载工况5对加劲梁*/4附近断面最大正弯矩偏心加载0.896对加劲梁*2断面最大正弯矩对称加载0.877对加劲梁*2断面最大正弯矩偏心加载0.908对加劲梁3*/4断面最大正弯矩对称加载0.869对北侧DS72号吊杆最大索力增量对称加载0.8710对北桥塔侧塔顶最大纵向偏位对称加载11对主缆最大拉力对称加载规范要求选做加载工况12对北桥塔根部断面最大弯矩对称加载13对加劲梁*/4断面附近正交异性板局部受力加载14对加劲梁*2断面反对称偏心加载注*为主跨跨径；加载效率为试验荷载效率与设计荷载效率的比值&142世界桥梁 2O23,51(S1)位即可以直接显示结构响应和分析数据，整个过程 在1 min以内&以工况1主桥中跨满载时为例说明荷载试验智 能化指挥平台系统界面展示结果，如图11所示。该 系统界面显示：在主桥中跨满载时（48辆车加载到 位），实时温度为27.87 m、风速为0.88 m/s；主桥 北塔最大偏位为一101.3 mm、南塔最大偏位为 65.8 mm（向跨中侧偏位为正，反之为负），对应的校 验系数为0.840.93；加劲梁最大竖向位移为-2 051.2 mm,理论值为一2 205 mm,对应的校验 系数为0.930.96；主缆最大竖向位移为 2 040.5 mm,理论值为一 2 205 mm,校验系数为 0.910.92；视频显示各车辆加载到位，停车区无车 辆等候。测试结果表明该桥中跨满载工况试验各车 辆加载到位，所测试的各关键参数均在理论值范围 之内，结构处于安全状态，可进行下一工况的试验加 载工作&图图11中跨满载时荷载试验智能化指挥平台系统界面展示中跨满载时荷载试验智能化指挥平台系统界面展示Fig.11 Display of intelligent command platform system interface for midspan full load test5结语结语本文以宜昌伍家岗长江大桥为背景，建立了 该桥的荷 载 试 验 智 能 化 指 挥 平 台 系 统#实 现 了 桥 梁数字化模型展示、环境条件采集和分析、结构位 移测试和现场视频监控功能，有效地解决了大跨 度悬索桥荷载试验现场情况控制不及时的问题&通过对试验现场各参数快速、集成、形象地反映，为桥梁现场试验指挥和后续加载提供正确的信 息&荷载智能化指挥平台的实施效果显著，适用 于各种不同结构类型的桥梁荷载试验，系统参数 应根据结构受力特点确定，可为桥梁荷载试验实 施的信息化、标准化提供经验和数据&随着现代 传感器技术、无线传输技术和大数据平台技术的 发展，后期该系统将会在大跨度桥梁荷载试验过 程中发挥更重要的作用&参考文献参考文献(References):1-曾德礼.大跨度桥梁承载能力鉴定研究J-.桥梁建设，2018,48(5)：43-47.(ZENG De-li.Study on Identification of Load Bearing Capacity of Long Span Bridge,J-.Bridge Construction，2018,48(5)：43-47.in Chinese)2-虢曙安，刘国坤，徐 朔，等.特大跨径悬索桥承载能力 评定研究J-.桥梁建设,2020,50(6):7378.(GUO Shu-an，LIU Guo-kun，XU Shuo，tal Evalution of Load Bearing Capacity of Super-Long-Span Suspension Bridge,J-.Bridge 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Bridge Structures,Wuhan 430034,China；2.China RailwayBridgeScienceResearchInstitute Ltd Wuhan430034 China)Ab4tract：An intel igent command platform system that can facilitate the load tests of long-spansuspensionbridgeisproposed whichbeterhandlestheparametersofloadtestsandismore eficientin data transmission The system consists ofa modelsubsystem an environmental parametersubsystem displacementsubsystemandvideomonitoringandcontrolsubsystem each correspondingly developed to achieve the objectives of digital bridge model demonstration environmental data colection and analysis structural displacement testing and field video monitoringandcontrol Thesystem has been implemented in the Wujiagang Changjiang River Bridge During the load tests of the bridge the system recorded the temperature speed and directionofwinds andthedisplacementsofmaingirder maincablesandbearings resultingin greatenhancementoffieldtestingeficiency Theproposedsystemalsofeaturespromptcontrolof field load tests of long-span suspension bridge Inthe Wujiagang Changjiang RiverBridge the systemrapidlyandvividlyintegratedandreflectedtheloadtestparameters basedon whichthe commandofloadtestsandsubsequentloadapplicationcouldbemadecorrectlyKey word4：long-span suspension bridge；load test；intel igent command platform system；environmentalparameter；displacement；videomonitoringandcontrol（编辑：赵兴雅）