珠江黄埔大桥南汊悬索桥施工监控系统总体框架

1、珠江黄埔大桥南汊悬索桥施工监控系统总体框架袁帅华1 陈红1,2 张太科2 孙斌1 肖汝诚1 （1 同济大学桥梁工程系, 上海，2000922 广州珠江黄埔大桥建设有限公司，广东，广州，510730）关键词：悬索桥，施工监控，网络，智能1 工程概况珠江黄埔大桥南汊主桥为单跨双索面钢箱梁悬索桥，主跨1108m（图1）。主缆分跨为290m+1108m+350m，采用预制平行钢丝索股（PPWS）。主缆主跨理论垂度为110.80m，矢跨比1/10。两根主缆中心距为36.5m。主缆钢丝采用公称直径为5.20mm、公称抗拉强度为1670MPa的高强度镀锌钢丝。每根主缆中，从北锚碇到南锚碇的通长索股有147股

2、，北边跨另设6根背索，南边跨另设2根背索，均在主索鞍上锚固。每根索股由127根钢丝组成。吊索间距为12.8m，采用镀锌钢丝绳，每侧吊点设置2根吊索。钢丝绳公称直径为56mm，结构形式为8×55SWS+IWR，公称抗拉强度为1770MPa。吊索与索夹为骑跨式连接，与加劲梁为销铰式连接。主梁为流线形扁平钢箱梁，截面中心处梁高3.5m，全宽41.69m，主梁安装采用吊装拼装方法施工。悬索桥梁段总数为87个，其中标准梁段为83个，合龙段2个，特殊段2个。标准梁段长12.8m，标准吊装重量约215t，最大吊装重量为230t。主塔为门式框架结构，索塔总高度为190.476米，塔柱为混凝土空心薄壁

3、断面。共设置上、下两道箱形断面横梁，均为全预应力结构。南、北锚碇均采用重力式锚，下设地下连续墙。图1 珠江黄埔大桥南汊悬索桥总体布置图2 施工监控系统结构珠江黄埔大桥南汊悬索桥的规模、跨径处于中国前列，施工控制对保障该桥的顺利建成具有极其重要的意义。传统施工控制技术计算比较粗糙、自动化程度不高、反馈周期长、费时费力，为满足该桥对施工监控的高精度、高效率要求，本悬索桥采用基于网络的智能施工监控系统进行施工监控。珠江黄埔大桥南汊悬索桥施工监控系统结构框图如图2所示。该施工监控系统由三个分系统组成：数据采集分系统、数据双向传输分系统、计算分析与控制决策分系统。各分系统之间的流程（图2）是：把悬索桥施

4、工监控所需信息，包括桥梁荷载信息、几何信息、应力信息等通过数据采集系统采集，以Internet网络和通信网络为媒介，通过网络信息的双向传递、查询，将信息实时汇总于桥梁施工控制中心，经过智能化的计算分析与智能化、实时化的控制决策，向悬索桥发出网络施工控制指令。珠江黄埔大桥南汊悬索桥施工监控系统数据采集分系统数据双向传输分系统计算分析与控制决策分系统图2 珠江黄埔大桥南汊悬索桥施工监控系统结构框图3 数据采集分系统珠江黄埔大桥南汊悬索桥施工监控数据采集分系统的结构框图如图3所示。悬索桥施工监控数据采集分系统线形监测索力监测应力监测温度监测主塔线形猫道线形主缆线形索夹位置主梁线形索股张拉力吊杆张拉力

5、主塔应力主梁应力主塔温度场猫道索温度主缆索股温度主梁温度场风力监测桥址风力图3 数据采集分系统的结构框图珠江黄埔大桥南汊悬索桥主跨超千米，施工监控数据采集项目繁多，每个工况若全部采用人工采集数据，将花费很长时间。为尽可能提高施工监控效率，同时也为最大程度保证各种数据的采集处于同一状态、环境中，最大程度地减小数据采集的误差，本悬索桥引入数据高速采集系统进行施工监控。根据目前数字传感器及相关设备的发展状况，悬索桥施工监控中的索力监测、应力监测、温度监测采用数据高速采集系统，而线形监测与风力监测仍采用人工采集。本数据高速采集系统是一种功能强大的分布式全自动综合静态数据采集系统，由上位机（计算机）、采

6、集单元、系统软件等组成，采用无线手机数据通讯模式，将手机模块、单片机控制电路、电源控制电路设计组成一个标准的无线数据终端，并将无线数据终端嵌入无线收发仪和现场采集单元的密封箱中，完成现场数据与监控室远程无线数据传送。数据高速采集系统测点布置与采集箱的位置如图4所示。（圆点表示采集箱，表示主缆温度测试断面，短粗线表示塔梁应变温度测试断面）图4 数据高速采集系统测点与采集箱布置示意图主塔应变温度测试选取塔柱的底部截面、塔梁交界区底部截面以及塔顶部等3个断面作为应变温度监测断面，每个断面埋设6个应变温度传感器。钢箱梁应变温度测试是将钢箱梁主跨8等分，选取其中5个等分截面作为钢箱梁应变温度监测断面，每

7、个断面设置6个应变温度传感器。主缆纵向温度场测试点布置在单侧主缆的边跨2分点处和主跨4分点处，全桥共9个测试断面，每个测试断面布置18个测点。每根主缆选取7根索股作为永久张力测点，一根主缆选择黄埔侧锚碇处进行监测，另一根主缆选择番禺侧锚碇处进行监测，全桥共14个测点。采用锚索计实时监测这7根索股的张力与该点处的温度。实时监控数据采集箱布置位置为：主塔应变温度数据的采集箱布置在主塔下横梁上，每个主塔各一个；主缆温度数据的采集箱共布置三个，分布在主塔塔顶与主缆的跨中部位；钢箱梁应变温度传感器的导线在靠塔的断面接入主塔下横梁的采集箱，靠主跨跨中部位的导线则接入跨中的采集箱，与主缆温度场的采集箱共用；

8、主缆索股张力的采集箱则布置在南北两个锚碇里，共两个采集箱。4 数据双向传输分系统数据双向传输分系统的功能是将在悬索桥施工现场采集的施工监测数据通过某种方式实时远程传输到施工控制中心，供施工控制中心分析，施工控制中心分析后，将分析结果及控制指令以同样方式传输到施工现场。珠江黄埔大桥南汊悬索桥数据双向传输网络系统的结构图如图5 所示。在所有布置的传感器中，从传感器到工控机的信号现场传输采用有线传输，然后通过无线收发仪利用移动通信网络系统传输到远程控制中心的无线收发仪，进入上位机进行数据处理与分析。控制中心分析后，将控制指令以同样方式传输给施工现场。交 换 机无线收发仪施工现场无线收发仪上位机无线收

9、发仪控制指令接收单位数据高速采集系统施工控制中 心网 络图5 数据双向传输网络系统结构图5 计算分析与控制决策分系统计算分析与控制决策系统是基于网络的悬索桥智能化施工控制系统的核心。它承担着整个施工监控过程中的计算、误差分析、参数识别与控制预测的任务。为适应计算分析与控制决策的全过程自动化与智能化处理，此系统采用如图6的系统结构图。计算分析与控制决策系统数据库系统结构计算系统控制专家系统报表文件系统主塔计算主缆计算钢箱梁吊装计算知识库推理机实测值理论值施工监控指令表施工监控阶段总结索夹位置计算吊索长度计算猫道计算图6 计算分析与控制决策系统结构图5.1结构计算系统结构计算系统功能主要是指悬索桥

10、施工前的理论计算与施工开始后需调整参数或施工方案时重新计算功能，生成各种理论控制参数。该系统主要包括：主塔计算计算主塔在其施工过程中各节段的纵横向预偏量以及预抛高，并计算其应力分布。猫道计算计算猫道承重绳、门架绳、扶手绳的下料长度、线形、索力及垂度调整量。主缆计算计算成桥状态各跨主缆的水平分力、竖向分力、线形；精确计算考虑索鞍内曲线线形后主缆的形状长度、无应力长及伸长量，给出成桥状态索鞍与主缆的切点、切线角等；计算基准温度下空缆线形，给出索鞍的理论预偏量；计算主缆索股无应力下料长度；计算基准索股的线形，一般索股与基准索股的相对高差及锚跨张拉力；主缆索股架设完毕后根据实测空缆线形反算主缆各跨无应

11、力长度等索夹位置计算根据反算的主缆各跨无应力长度，以成桥吊索处于竖向位置为目标确定基准温度下索夹的安装位置。吊索长度计算根据反算的主缆各跨线形以及塔、梁、吊索的成桥目标，计算基准温度与恒载索力下吊索的下料长度。钢箱梁吊装计算计算吊索安装后的各种工况，如安装跨缆吊机，架设钢箱梁，鞍座顶推等工况的主缆线形、钢箱梁的标高及开口角、塔顶偏移量、塔内应力、各跨主缆索力以及索鞍、主缆与桥塔的相对位置。5.2 数据库系统在悬索桥施工监控过程中，有大量的实测数据与理论数据产生，为便于管理，提高分析效率，特开发此数据库系统。该系统主要包括：实测值数据库用于接收网络传输过来的悬索桥施工过程中的变形、应力、温度、索

12、力等监测数据并能对这些数据进行保存、添加、修改、查询等工作。并进行初步的数据处理。理论值数据库存储各施工阶段的理论值，以方便与实测值的比较分析。图表数据库生成各种施工控制分析用的图表，如“线形对比”、“索力对比”、“截面应力分布”和“主梁形心线挠度曲线”等。智能报警程序该程序主要是：当施工过程中结构的计算或实测应力、变形超过允许精度范围后自动进行报警，并给出应力、变形超限点的位置与对应值；当发现施工过程中应力或变形的实测值与计算值相差过大时自动进行报警，并给出应力、变形超限点的位置与对应值。5.3控制专家系统在悬索桥施工控制过程中，通常要处理大量复杂而多变的控制问题，如：数据滤波、参数识别、控

13、制预测以及控制调整等，工作量十分繁重。若在该过程中引入专家系统，实现控制的智能化，将有效改善桥梁施工控制的控制方法，极大地提高施工控制效率与控制质量。本桥控制专家系统主要由两部分组成：施工控制知识库与施工控制推理机。知识库存储悬索桥施工监控过程中各种经验性知识与原理性知识。推理机是依据知识来解决问题的各种算法。在施工控制过程中对数据误差、参数识别、控制预测、控制决策进行推理。悬索桥施工监控中的垂度调整、温度修正、跨径修正等均依靠该专家系统进行。5.4 文件报表系统该系统主要生成正式的施工监控指令表，并通过网络发送至施工现场，同时对已完成的某个阶段或工况进行总结，生成相应图表，形成总结报告。6 结论本文根据国内外桥梁施工控制技术发展状况，建立了珠江黄埔大桥南汊悬索桥的智能化施工控制系统。该系统能够实现数据采集