大跨度斜拉橋中跨合龍施工智能監控系統技術研究

摘 要：該文通過監控方法和計算理論2個方面對大跨度斜拉橋中跨合龍技術進行研究。在監控方法方面，利用多數據融合理論形成實時監控的智能化監控系統，對中跨合龍的傳感器類型及布置進行研究，提出一種常用的布置方法。在計算理論方面，將合龍調平過程公式化，使決策過程減少人為判斷；對合龍段配切長度的計算過程數學化，簡化計算過程。最后通過某跨海大橋工程實例，驗證該方法的可行性。結果表明，該方法現場可實施性高，誤差滿足工程實際要求，提高中跨合龍的施工效率。

關鍵詞：斜拉橋；中跨合龍；智能監控系統；合龍段；監控算法

中圖分類號：U448.27 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0048-04

Abstract： In this paper， the mid-span closure technology of long-span cable-stayed bridge is studied from two aspects： monitoring method and calculation theory. In terms of monitoring methods， an intelligent monitoring system for real-time monitoring is formed by using multi-data fusion theory. The sensor type and arrangement of mid-span closure are studied， and a common arrangement method is proposed. In the aspect of calculation theory， the leveling process of closure is formulated， which reduces the artificial judgment in the decision-making process， and the calculation process of matching and cutting length of closure section is mathematically simplified. Finally， the feasibility of the method is verified by an engineering example of a sea-crossing bridge. The results show that the method has high field implementability， the error meets the practical requirements of the project， and the construction efficiency of mid-span closure is improved.

Keywords： cable-stayed bridge; mid-span closure; intelligent monitoring system; closure section; monitoring algorithm

斜拉橋中跨合龍是指斜拉橋結構中間跨的合龍過程。斜拉橋是一種特殊的橋梁結構，其主要特點是通過斜拉索將橋梁的主梁與橋塔相連，形成一個穩定的結構。在斜拉橋多跨設計時，會將橋梁分成多個跨度，中跨即為其中的中間跨度。當斜拉橋的主梁和橋塔完成建設后，中跨合龍即是將中跨的部分與兩側的跨度相連接，使整座橋梁形成一個完整的結構。這個過程通常會通過吊裝、拼裝等方式進行，確保中跨與兩側跨度的連接牢固穩定。斜拉橋中跨合龍是整個斜拉橋建設過程中的重要環節，需要精確的測量、設計、施工，以確保橋梁的結構安全和功能完善。斜拉橋作為一種現代化的橋梁結構，具有較大的跨度和美觀的外形，中跨合龍的完成標志著整座斜拉橋工程的順利進行。

中跨合龍是斜拉橋施工過程中最重要的環節之一[1-2]，對于斜拉橋中跨合龍的研究可分為計算理論和監控方法2部分。國內外學者首先對計算理論進行了深入的研究，形成了參數敏感性分析、標高預測、索力預測等理論，其中參數敏感性分析基于理論模型，對施工控制很有指導意義，故而應用范圍最廣。在研究監控方法方面，Chang等[3]著力于搭建自動化監控平臺，并指出監控儀器、信號處理、數據處理是構建監控平臺最核心的組成部分。

對于中跨合龍的計算理論，當前的參數敏感性分析后仍然是以人的決策為主[4]，并未對后續的決策形成數學判斷以輔助決策，對施工控制的工程師有一定的經驗要求；對于監控方法，應用于大跨度斜拉橋中跨合龍的施工控制較少，形成中跨合龍輔助決策機制的更少。

本文通過選擇合適的傳感儀器及應用多傳感器數據融合理論[4]，形成智能監控系統對大跨度斜拉橋中跨合龍施工過程進行監控，并將中跨合龍決策形成數學模型融入該系統，可為解決此類斜拉橋施工監控自動化問題提供參考。

1 智能監控系統組成與無應力狀態控制法

1.1 智能監控系統組成

監控系統結構主要由3部分組成：①現場監控單元，即安裝于現場的各類傳感器；②信息接收與解調單元，安裝于變電箱內；③監控中心，安裝具有數據處理功能的監控軟件客戶端。

對于中跨合龍，當監控系統安裝后，由布置好索力、溫度、撓度和傾角等傳感器及激光測距儀獲得實時數據。上述傳感器數據同時存儲于數據存儲服務器，并通過信號處理后發送給客戶端。在客戶端利用多數據融合理論算法，對各測點多類型傳感器數據進行分析，通過本文建立的中跨合龍輔助決策的數學模型，動態監控施工過程，實現中跨合龍。

1.2 無應力狀態控制法

分階段施工的橋梁結構最終狀態的內力和位移，主要由3個條件決定：①外荷載作用的位置和大小；②橋梁組成結構構成單元的幾何尺寸、位置、剛度；③邊界條件構建單元無應力狀態下的幾何長度和曲率。對于分階段施工的橋梁結構，最終狀態的結構內力和位移主要受幾何長度和曲率的影響。所以，無應力狀態控制的基礎是一定的外荷載、結構體系、支承邊界條件及單元的無應力長度和無應力曲率組成的結構。

在無應力狀態控制法當中，橋梁結構單元的內力是隨著結構的加載不斷變化的，同時受到體系轉化和斜拉索張拉變化的影響。如果斜拉橋的荷載和結構體系相對固定，無應力長度的變化應該與單元軸力的變化保持一致。在斜拉橋分段施工中應用無應力狀態控制法，必須以上述基本原理為基礎。

2 中跨合龍監控算法

在施工監控正常進展的情況下，即將合龍的兩端梁段標高應比較接近。此時可用影響矩陣法來優化中跨合龍調整的索力值

式中：？駐F為索力變化量F作用下的豎向位移；？駐M為壓重M作用下的豎向位移。在施工現場，壓重一般是確定的，通過調整索力來改變合龍口豎向位移即標高。而對于索力引起標高改變項可展開為

3 工程實例

3.1 項目簡介

背景橋跨徑布置（70+130+400+130+70） m，主橋全長800 m，為雙塔雙索面鋼-混結合梁半漂浮體系斜拉橋。

主塔采用帶曲線造型的H型分離式混凝土索塔，塔底以上索塔高160.254 m。主梁為混凝土橋面板和槽形鋼梁的單箱三室結合梁，梁高4.25 m，含風嘴全寬21 m。鋼梁中跨合龍段長10 m，塔區梁段長12 m，標準節段長10.5 m，全橋共77個節段。

1）合龍方法。目前鋼箱梁斜拉橋中跨合龍通常采用頂推配切合龍和溫度配切合龍2種方式，前者受溫度的影響較小，后者受溫度的影響較大。主橋采用頂推配切合龍方法。

2）合龍口壓重。無應力狀態法理論表明，只要保證合龍口的無應力長度和桿件無應力曲率，則成橋結構內力狀態和線形狀態達到設計狀態，而與合龍時采用的施工方法手段無關，故若現場無壓重條件，可以不進行壓重。中跨合龍流程如圖2所示。

3.2 監控系統布置

對于智能監控系統，信息接收與解調單元和監控中心的現場安裝布置相對簡單。信息接收單元、解調單元及現場單元可通過數據傳輸線連接，其位置可選擇安全可靠的固定位置；監控中心和信息接收與解調單元之間通過網絡傳輸數據，其安裝位置因監控計算人員需要而定。

對于現場監控單元，其布置與施工工況息息相關。中跨合龍時，自動化索力監測布置如圖3所示，即布置在兩塔側中跨側M14～M18共10對索上。激光測距儀、溫度傳感器及傾角儀均布置在兩塔側中跨側MG18前端（與合龍段連接處），激光測距儀和溫度傳感器每個塔側各8個，傾角儀每個塔側各2個，布置位置如圖4所示。

智能監控系統通過多數據融合算法，將上述各類型數據整合后，形成可實時監控施工現場的監控平臺。

3.3 中跨合龍監控

考慮到該橋橋面較窄，寬僅有17 m，而若用壓重，需壓重240 t，橋面合龍口前端橋面吊機占位后，已沒有足夠壓重空間布置。故在本項目用索力調整合龍口，并未使用壓重。故在合龍口觀測前調整索力程序輸入時，令式（1）、（3）中P=0、R=0，？漬=0.01。理論分析結果和實際控制結果見表1。

從表1的計算結果可知，利用本文算法調整標高的理論索力值與實測索力值最小誤差為0.1%，最大誤差為1.4%，上下游實測索力誤差最小值為0.13%，最大值為0.93%，誤差很小，滿足工程實際要求。

在合龍段配切時，各邊線長度略有不同，實際配切應以合龍段中線所在平面為基準面，按照各邊線需配切長度，確定左右兩側各邊線點位置后進行配切。

4 結論

本文利用智能化監控系統平臺，并提出大跨度斜拉橋中跨合龍過程中標高調整算法及合龍段精細配切公式，2類公式參數化后可寫入智能監控系統平臺中，以進行中跨合龍全過程的自動化監控。該套系統應用于新建跨海大橋的中跨合龍監控。在合龍口調平的過程中，理論索力調整量和實際索力調整量誤差在5%以內，上下游索力誤差在2%以內，滿足工程實際要求。合龍段配切精度控制在毫米級，實現了毫米級的高精度合龍。為解決相關類似的大跨度斜拉橋中跨合龍提供了參考方案。

參考文獻：

[1] 朱偉華.大跨度鋼桁梁斜拉橋中跨合龍關鍵技術研究[D].長沙：長沙理工大學，2017.

[2] FURUKAWA K， INOUE K， NAKAYAMA H， et al. Studies on the Management System of Cable-stayed Bridges under Construction Using Multiobjective Programming Method[J]. Doboko Gakkai Ronbunshu，1986（374）：495-502.

[3] CHANG S P， KIM S. Online structural monitoring of a cable-stayed bridge[R]. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering， 1997.

[4] 王欣.多傳感器數據融合問題的研究[D].長春：吉林大學.

第一作者簡介：張明哲（1993-），男，碩士，工程師。研究方向為道路橋隧。