基于BIM技術(shù)的高速鐵路系桿拱橋運營監(jiān)測系統(tǒng)研究

沈勁松，陳令康，鞠曉臣，程曉毛，潘永杰

（1.武廣鐵路客運專線有限責(zé)任公司，湖北武漢 430212；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200071）

隨著我國高速鐵路的建設(shè)，大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁逐漸增多。由于巡檢困難，檢查設(shè)備匱乏，橋梁結(jié)構(gòu)檢查目前主要以人工檢查為主［1］，效率較低。為掌握橋梁運營健康狀況，我國從20 世紀(jì)90年代起開始在一些大型重要橋梁上建立運營監(jiān)測系統(tǒng)［2-4］，以實時監(jiān)測橋梁運營狀態(tài)。

本文以武廣鐵路客運專線梁家灣大橋為研究對象，搭建橋梁運營監(jiān)測系統(tǒng)，對橋梁進行實時監(jiān)測，從而掌握橋梁結(jié)構(gòu)運營狀態(tài)。

1 工程背景

梁家灣大橋主跨112 m，跨越京港澳高速公路。橋上線路為雙線、直線，坡度1.31‰，線間距5 m，軌道類型為武廣客運專線雙塊式無砟軌道。系桿拱橋全長116 m，矢跨比為1∶5，拱肋平面內(nèi)矢高22.4 m，拱肋采用懸鏈線線形，截面為啞鈴形，鋼管拱肋內(nèi)填充混凝土，截面高3 m，沿程等高布置。系梁按整體箱形梁布置，采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面。尼爾森體系吊桿間距8 m。32#和33#墩為提籃拱橋墩，32#墩設(shè) 2 個 TQZ-32500-DX 支座，33#墩設(shè) 2 個 TQZ-32500-HX 支座，2 個支座中心距均為16.2 m。梁墩各設(shè)1 個橫向限位裝置——MSK5000 縱向活動型剪力榫。梁家灣大橋立面見圖1。

圖1 梁家灣大橋立面（單位：cm）

2 基于BIM技術(shù)系桿拱橋運營監(jiān)測系統(tǒng)平臺

系桿拱橋橋梁運營監(jiān)測系統(tǒng)主要根據(jù)養(yǎng)護管理需求、數(shù)據(jù)分析結(jié)論、橋梁結(jié)構(gòu)特點等因素綜合考慮，對影響結(jié)構(gòu)安全和行車安全的重點部位和結(jié)構(gòu)薄弱部位進行監(jiān)測。本文以BIM 技術(shù)為基礎(chǔ)，搭建了系桿拱橋的運營監(jiān)測系統(tǒng)框架。

2.1 系桿拱橋BIM模型

搭建橋梁BIM 模型前，首先需定義橋梁層級內(nèi)容?？筛鶕?jù)結(jié)構(gòu)位置、結(jié)構(gòu)功能或形式對項目進行層級劃分，一般可分為專業(yè)層級、項目層級、結(jié)構(gòu)部位、細(xì)部結(jié)構(gòu)層級4 個主要層級［5］。因模型需求不同，項目層級與專業(yè)層級的先后順序可根據(jù)具體情況進行選擇，如僅以單獨橋梁建模，專業(yè)層級應(yīng)作為首位層級，而項目層級可取消。結(jié)構(gòu)部位一般可劃分為上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、重點易損部位和附屬結(jié)構(gòu)4 大部分。以梁家灣大橋為例，上部結(jié)構(gòu)包括拱肋、拱腳、吊桿、系梁、錨固構(gòu)造等構(gòu)件；下部結(jié)構(gòu)包括橋臺、基礎(chǔ)等構(gòu)件；重點易損部位包括支座、限位裝置、阻尼器等構(gòu)件；附屬結(jié)構(gòu)包括人行道、擋砟墻等構(gòu)件。細(xì)部結(jié)構(gòu)中還存在一些子結(jié)構(gòu)，為確保模型顆粒度，可根據(jù)實際情況適當(dāng)添加若干層級，如拱肋中的拱肋鋼管、拱肋混凝土與橫撐等組成構(gòu)件。梁家灣大橋BIM 模型結(jié)構(gòu)分解見圖2。

圖2 梁家灣拱橋模型結(jié)構(gòu)分解

層級劃分完畢后，為實現(xiàn)系統(tǒng)各模塊之間信息的互通和交流，方便計算機準(zhǔn)確辨別相應(yīng)信息，需在分類的基礎(chǔ)上為每一層級、每一類別賦予相應(yīng)的編碼，通過編碼的“索引”作用，有效實現(xiàn)基于BIM 模型的信息交互。以《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》（1.0 版）中53 表為基礎(chǔ)，建立基于IFD（International Framework for Dictionaries）分類編碼的技術(shù)應(yīng)用框架。由于53表是按照設(shè)計進行的分類，應(yīng)用于梁家灣橋時根據(jù)運維需求進行了適當(dāng)擴充或修正，形成了全橋的IFD 分類編碼體系。將IFD 編碼信息作為屬性直接賦予相應(yīng)的模型層級和構(gòu)件，不僅實現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)部件、構(gòu)件的準(zhǔn)確辨識，也為后期大跨度橋梁病害大數(shù)據(jù)分析、病害庫和管養(yǎng)知識庫拓展等提供了通用的識別體系和技術(shù)支撐。

采用CATIA 軟件創(chuàng)建梁家灣大橋模型。梁家灣大橋BIM模型見圖3。

圖3 梁家灣大橋BIM模型

2.2 系桿拱橋運營監(jiān)測系統(tǒng)

以BIM 模型為載體，將多源監(jiān)測檢查數(shù)據(jù)與BIM模型關(guān)聯(lián)起來，能夠便捷快速地掌握橋梁運營狀態(tài)。運營監(jiān)測系統(tǒng)組成架構(gòu)見圖4。其中，結(jié)構(gòu)自動監(jiān)測子系統(tǒng)、視頻安全監(jiān)控子系統(tǒng)和電子化人工巡檢子系統(tǒng)用于荷載源、結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場信息的采集，將獲取的數(shù)據(jù)作一定處理后，統(tǒng)一存儲在數(shù)據(jù)存儲與管理子系統(tǒng)中；然后使用數(shù)學(xué)工具進行相應(yīng)的統(tǒng)計分析。設(shè)定各特征參數(shù)的安全閾值可以實現(xiàn)系統(tǒng)的安全評估和預(yù)警功能，并由用戶界面子系統(tǒng)完成人機交互工作。

圖4 運營監(jiān)測系統(tǒng)組成架構(gòu)

3 梁家灣大橋監(jiān)測內(nèi)容重點

橋梁運營監(jiān)測旨在對影響結(jié)構(gòu)安全的最關(guān)鍵的部位和參數(shù)進行監(jiān)測，從而達到掌握橋梁整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)的目的。對大橋結(jié)構(gòu)進行有限元分析，結(jié)合TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》［6］和鐵運函〔2004〕120 號《鐵路橋梁檢定規(guī)范》［7］提出重點監(jiān)測內(nèi)容。

3.1 有限元計算

采用MIDAS/Civil 有限元軟件建立大橋三維有限元模型，見圖5。通過理論計算分析，確定橋梁結(jié)構(gòu)受力最不利位置及對結(jié)構(gòu)受力起關(guān)鍵控制作用的位置，進而確定傳感器布點最優(yōu)方案。

圖5 梁家灣大橋有限元模型

梁家灣大橋有限元模型共劃分為175 個節(jié)點和218 個單元，模型中系梁、拱肋以及橫撐均采用梁單元模擬，吊桿采用只受拉的桁架單元模擬。邊界條件：一端約束為DX，DY，DZ，RX，RZ；另一端約束為DY，DZ。箱梁與拱肋約束采用彈性連接中的剛性連接。計算分別考慮主力、主力+附加力2種荷載組合。主力包括自重、二期恒載、ZK 活載（見圖6）、預(yù)應(yīng)力荷載、吊桿初拉力。附加力包括整體升降溫，按±15 ℃考慮。梁家灣大橋豎向位移、拱肋y方向彎矩及吊桿索力分別見圖7—圖9。

圖6 ZK活載圖示

圖7 梁家灣大橋豎向位移（單位：cm）

圖8 梁家灣大橋拱肋y方向彎矩（單位：kN·m）

圖9 梁家灣大橋吊桿索力（單位：kN）

由圖7—圖9可知：①結(jié)構(gòu)的整體變形中箱梁跨中變形較大，在主力+附加力作用下最大值為2.9 cm；②提籃拱的y方向彎矩在拱腳位置較大，在主力+附加力作用下最大值為1.2×104kN·m；③吊桿在跨中及1/4跨位置索力較大，在主力+附加力作用下最大值為1.6×103kN。

3.2 重點監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)梁家灣大橋的結(jié)構(gòu)特點及有限元分析結(jié)果，結(jié)合相關(guān)規(guī)范［6-7］，并借鑒以往橋梁監(jiān)測經(jīng)驗［8-10］，確定監(jiān)測內(nèi)容如下：①結(jié)構(gòu)特征監(jiān)測，包括梁體撓度、吊桿索力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)振動、支座位移和梁端轉(zhuǎn)角。②運營列車特征監(jiān)測，包括橋梁結(jié)構(gòu)視頻監(jiān)測和雷達測速監(jiān)測。

梁家灣大橋?qū)儆谔厥饨Y(jié)構(gòu)橋梁，有限的測點主要布置在結(jié)構(gòu)設(shè)計中起控制作用的截面和部位［11］。測點布置見表1，傳感器總體布置見圖10。

表1 梁家灣大橋監(jiān)測測點布置

圖10 梁家灣大橋測點總體布置

4 結(jié)論

1）結(jié)合系桿拱橋特點，對橋梁進行層級劃分，形成全橋的IFD 分類編碼體系，采用CATIA 軟件建立大橋BIM 模型。以BIM 模型為載體，將多源監(jiān)測檢查數(shù)據(jù)與BIM 模型關(guān)聯(lián)起來，實現(xiàn)基于BIM 模型的信息交互。

2）對大橋進行有限元分析，并依據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》和《鐵路橋梁檢定規(guī)范》確定重點監(jiān)測內(nèi)容。優(yōu)化后全橋共布置34個測點，實現(xiàn)了實時監(jiān)測橋梁整體運營狀態(tài)的目的。