唐俊，王浩，宋彪

（中交一公局第四工程有限公司，广西 南宁 530031）

0 引言

大跨径连续刚构桥是桥梁建设中的一个重要类型，作为典型的跨径大、跨度大的桥梁之一，挂篮结构的设计和施工对连续刚构桥的安全性、经济性、耐久性等方面均有很大的影响。挂篮结构的设计和施工直接影响到连续刚构桥的安全、经济和美观，对连续刚构桥挂篮结构的施工和运营状态进行监控也是一个重要的技术问题。挂篮控制结构包括：挂篮预应力钢束、锚具、悬挂装置、铰接装置、液压系统、减振系统等诸多部件组成。挂篮预应力张拉装置由张拉拉索套和张拉拉索支架三部分组成。挂篮应力应变监控是实现挂篮实时监控结构应力应变情况并进行实时分析监测的关键技术之一，目前国内主要采用超声监测和应变监测仪两种监测手段[1]。但目前现有监测与监控方法在实际应用中均存在监控精度低，监控效率差等问题，严重影响大跨径连续刚构桥的施工，甚至若监控不及时还会造成严重的施工安全问题产生，威胁施工人员的人身安全[2]。

针对应力应变监控这一问题的研究，相关领域已经取得了非常多的研究成果，例如文献[3]以提升桥梁应力应变监测结果的准确度，保证桥梁施工的安全和质量作为研究目标，从分别从有限元模型参数误差和现场测量误差两个方面，分析了连续刚构桥施工应力应变监测误差产生的原因，并对误差进行了修正处理，以此实现桥梁应力应变监测。文献[4]以监测与修正预应力混凝土应力应变，实现桥梁施工控制作为研究目标，考虑悬臂施工时桥梁荷载逐步施加的特点，对于预应力混凝土桥梁应力应变进行监测与修正，以此保证桥梁施工的顺利进行。文献[5]通过分析应力应变监测对于施工方案设计与实际施工的重要性，应用有限元软件SAP2000 进行桥梁支架的受力分析，根据结果布设监测点进行桥支架应力-应变动态监测。

但是当前领域很少研究视角集中到大跨径连续刚构桥挂篮应力应变监控中来，所以为提高监控精度，本文下述将开展对大跨径连续刚构桥挂篮应力应变监控技术的研究。

1 大跨径连续刚构桥挂篮应力应变监控

1.1 监控点布设

结合大跨径连续刚构桥施工中，挂篮的对称性以及受力特性，选取受力较大，且具有代表性的位置布设应力应变监控点[6]。在刚构桥一侧的主桁架片的立杆端部、上平杆、前斜杆等位置上分别布设刚弦应变计。图1 为大跨径连续刚构桥挂篮应力应变监控点布设侧视图。

图1 大跨径连续刚构桥挂篮应力应变监控点布设侧视图

图1 中A 表示斜拉带，B 表示主梁，C 表示后锚，D 表示立柱，E 表示后下横梁，F 表示侧模。图1 中黑色实心圆表示各个监控点。按照图1 所示方式完成对大跨径连续刚构桥挂篮应力应变监控点的布设可以为后续对挂篮各个位置应力应变数据的获取提供条件。针对各个监控点，为了确保埋置钢弦应变仪的高存活率和测量准确度，需要对埋入式应变仪进行特别的处理，并对其进行多次检测[7]。首先，为了避免外部电磁干扰，均采用多股铜芯屏蔽导线；其次，由于监测和监视是长期稳定的，而且线路的长度比较大，所以对线路进行了平行焊接，并在接头上涂上了一层绝缘胶带，然后用703 胶进行了密封；再用万用电表测量是否有断路，并检测导线和被测部件是否有短路。在使用过程中，尽量将张力测量仪调整到与纵向应力方向一致的位置。为了避免传感器在混凝土浇筑时发生窜动和角度变化，采用扎丝法将传感器牢固地绑在钢筋上。

1.2 基于AIOT 的挂篮数据采集

在完成对各个监控点的布置后，引入AIOT 技术，用于对各个监控点上的应力应变数据进行采集。针对不同位置上的监控点，可选择的测定方式包括：电阻片测定、传感器测定、主梁线型测定、缆索垂度测定等，通过多种测定方法的结合，可以实现对每一个监控点上应力和应变的测定[8]。针对通过各种方式采集到的监控数据，为实现对大跨径连续刚构桥挂篮的远程监控，利用AIOT 技术，通过物联网实现对数据的远程传输。将各个测定方法中获取参数的设备与AIOT 物联网数字采集设备连接，该设备主体结构如图2 所示。

图2 AIOT 物联网数字采集设备结构图

利用图2 所示的设备可为监控点数据的获取提供条件，同时该设备具有保护数据线的优势，克服了目前市场上大部分数码采集装置及离线存储器的连接线的使用寿命较短；工作时易发生破裂、漏电等故障；造成数码采集装置与离线存储器之间的连接中断；严重地影响离线和数字采集装置的正常使用等问题。

1.3 应力应变分析与监控

在利用上述AIOT 物联网数字采集设备获取监控数据时，为确保监控精度需要利用式（1）对监控数据进行基本运算修正：

式中，χ表示修正后的监控数据；k1表示AIOT 物联网数字采集设备的数据采集系数；ΔT表示受周围环境影响造成的监控数据变化量；α、β表示膨胀系数；Δ1T表示挂篮本身存在的应力应变参数变化量。针对挂篮结构而言，其应力可直接通过应变测量得出：

式中，ST表示在荷载作用下挂篮结构的弹性应力；e表示挂篮的弹性模量；et表示在荷载作用下挂篮结构的弹性应变。在大跨径连续刚构桥挂篮施工中，在成桥阶段，结构的受力体系会发生一系列的变化，从而形成主体结构。这种体系的转变必然导致挂篮结构的内力和线型发生持续的改变，而且各个阶段的受力状况是互相影响，最后的结构应力和几何线型是由一个阶段一个工况一个阶段累积起来的。因此，为实现对挂篮应力应变的监控在获取各项数据后，需要利用MIDAS/Civil 对挂篮结构进行正装和倒装的分析。在对大跨径连续刚构桥挂篮进行施工模拟时，得到的挂篮的受力-剪力滞系数可以模拟出其水平方向的应力分布。在此基础上，对大跨径连续刚构桥挂篮的应力应变进行监控。

1.4 超阈值自动警报

在确定各个监控点上的应力应变参数后，根据大跨径连续刚构桥挂篮施工要求，对应力变化值和应变变化值设置上限，并将这一上限作为阈值。通过本文监控技术监控后得到各个监控点的测定结果，将其与阈值进行对比。假设设置的应力阈值为N，应变阈值为E，则当某一监控点上的应力数据大于N，则说明该监控点的应力出现异常，需要立即发成警报，并采取相应的措施降低应力。当某一监控点的应变数据大于E时，则说明该测点的应变出现异常，需要立即发出警报，并采取相应的措施降低应变。为更及时对出现异常的监控点进行报警，采用自动警报的方式，并针对不同的异常情况设置自动警报指示灯。当应力未超过N，且应变未超过E时，此时自动警报不响应，并且指示灯为常绿状态；当应力超过N，而应变未超过E时，此时自动报警响应，指示灯为黄色频闪状态；当应力未超过N，而应变超过E时，此时自动报警响应，指示灯为橙色频闪状态；当应力超过N，且应变超过E时，此时自动报警响应，指示灯为红色频闪状态[9]。以此远程监控过程中，通过指示灯的状态可以第一时间发现某一测点上是否出现异常的应力应变情况，以此为后续响应解决方案的制定提供更有利的依据。

2 实验设计

2.1 实验环境

以某大跨径连续刚构桥建设项目为例，对其开展挂篮应力应变监控技术的应用研究。已知该工程项目为某桥梁新建工程，该桥梁通航主跨上半部分的结构尺寸为124m +235m +124m，其截面形式设计为单箱单室直腹板断面。主桥下部采用薄壁式墩身，主墩的顶板高度均符合通航报告规定，而边墩为薄壁式。主桥采用悬臂式浇注，采用吊杆进行浇筑，充分满足了桥梁的结构和使用需求，具有较高的综合效益。图3 为该项目中挂篮结构示意图。

图3 该项目中挂篮结构示意图

针对该项目，在施工过程中，利用本文上述提出的监控技术对其进行挂篮应力与应变监控。为验证该技术的应用可行性，设置如下实验：

将监控技术的监控精度作为评价指标，在上述布设的监控点中，选择6 个点作为实验监控点，表1 中记录了各个监控点的编号与对应位置。

表1 监控点编号与对应位置表

针对上述6 个监控点，分别从位置和应力应变的变化情况两个方面对监控精度进行检验。

2.2 实验结果

针对6 个监控实验点，利用本文提出的技术监控得出其具体位置，并将其与实地测定得到的真实结果进行对比，计算得出二者之间的误差，将结果记录如表2 所示。

表2 本文监控技术应用精度记录表

从表2 中记录的数据可以看出，新的监控技术在应用中可以实现对各个监控点位置的精确测定，以此能够为后续对挂篮应力应变的监控提供更高的精度条件。从上述6 个监控点中选择一个，对其在施工过程中的应力应变情况进行监控，将监控结果绘制成如图4、5 所示的曲线图。

图4 挂篮应力监控曲线图

从图4 可以看出，在监控的工程中本文监控技术得到的键控制与真实值之间变化趋势一致，且相差不超过0.5Mpa，符合监控精度要求，同时在监控到6min 时，通过监控技术得出该点的应力出现了超出阈值的现象，在监控到这一情况时，本文监控技术对其进行了及时的预警，后续也采取了相应地降低应力的措施，保障了施工安全和施工质量。从图5 监控结构可以看出，本文提出的监控技术能够实现对挂篮应变的高精度监控，监控值与真实值之间相差不超过0.005。因此，通过上述实验能够得出，本文提出的监控技术在实际应用中可以实现对挂篮应力应变的高精度监控，为施工安全提供保障条件。

图5 挂篮应变监控曲线图

3 结论

挂篮结构的安全稳定直接影响挂篮结构的质量与使用寿命，而当前的监测技术多集中于桥梁本身，所以研究大跨径连续刚构桥挂篮应力应变监控技术。本文通过布设挂篮主体结构监控点，利用AIOT 技术采集挂篮数据，对挂篮应力应变分析与监控、自动警报。该技术能够有效提升监测精准度，为大跨径连续刚构桥施工人员提供更有力的安全保障。