基于BIM技术的高速铁路系杆拱桥运营监测系统研究

沈劲松，陈令康，鞠晓臣，程晓毛，潘永杰

（1.武广铁路客运专线有限责任公司，湖北武汉 430212；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；3.中国铁路上海局集团有限公司，上海 200071）

随着我国高速铁路的建设，大跨度特殊结构桥梁逐渐增多。由于巡检困难，检查设备匮乏，桥梁结构检查目前主要以人工检查为主［1］，效率较低。为掌握桥梁运营健康状况，我国从20 世纪90年代起开始在一些大型重要桥梁上建立运营监测系统［2-4］，以实时监测桥梁运营状态。

本文以武广铁路客运专线梁家湾大桥为研究对象，搭建桥梁运营监测系统，对桥梁进行实时监测，从而掌握桥梁结构运营状态。

1 工程背景

梁家湾大桥主跨112 m，跨越京港澳高速公路。桥上线路为双线、直线，坡度1.31‰，线间距5 m，轨道类型为武广客运专线双块式无砟轨道。系杆拱桥全长116 m，矢跨比为1∶5，拱肋平面内矢高22.4 m，拱肋采用悬链线线形，截面为哑铃形，钢管拱肋内填充混凝土，截面高3 m，沿程等高布置。系梁按整体箱形梁布置，采用单箱三室预应力混凝土箱形截面。尼尔森体系吊杆间距8 m。32#和33#墩为提篮拱桥墩，32#墩设 2 个 TQZ-32500-DX 支座，33#墩设 2 个 TQZ-32500-HX 支座，2 个支座中心距均为16.2 m。梁墩各设1 个横向限位装置——MSK5000 纵向活动型剪力榫。梁家湾大桥立面见图1。

图1 梁家湾大桥立面（单位：cm）

2 基于BIM技术系杆拱桥运营监测系统平台

系杆拱桥桥梁运营监测系统主要根据养护管理需求、数据分析结论、桥梁结构特点等因素综合考虑，对影响结构安全和行车安全的重点部位和结构薄弱部位进行监测。本文以BIM 技术为基础，搭建了系杆拱桥的运营监测系统框架。

2.1 系杆拱桥BIM模型

搭建桥梁BIM 模型前，首先需定义桥梁层级内容。可根据结构位置、结构功能或形式对项目进行层级划分，一般可分为专业层级、项目层级、结构部位、细部结构层级4 个主要层级［5］。因模型需求不同，项目层级与专业层级的先后顺序可根据具体情况进行选择，如仅以单独桥梁建模，专业层级应作为首位层级，而项目层级可取消。结构部位一般可划分为上部结构、下部结构、重点易损部位和附属结构4 大部分。以梁家湾大桥为例，上部结构包括拱肋、拱脚、吊杆、系梁、锚固构造等构件；下部结构包括桥台、基础等构件；重点易损部位包括支座、限位装置、阻尼器等构件；附属结构包括人行道、挡砟墙等构件。细部结构中还存在一些子结构，为确保模型颗粒度，可根据实际情况适当添加若干层级，如拱肋中的拱肋钢管、拱肋混凝土与横撑等组成构件。梁家湾大桥BIM 模型结构分解见图2。

图2 梁家湾拱桥模型结构分解

层级划分完毕后，为实现系统各模块之间信息的互通和交流，方便计算机准确辨别相应信息，需在分类的基础上为每一层级、每一类别赋予相应的编码，通过编码的“索引”作用，有效实现基于BIM 模型的信息交互。以《铁路工程信息模型分类和编码标准》（1.0 版）中53 表为基础，建立基于IFD（International Framework for Dictionaries）分类编码的技术应用框架。由于53表是按照设计进行的分类，应用于梁家湾桥时根据运维需求进行了适当扩充或修正，形成了全桥的IFD 分类编码体系。将IFD 编码信息作为属性直接赋予相应的模型层级和构件，不仅实现了桥梁结构部件、构件的准确辨识，也为后期大跨度桥梁病害大数据分析、病害库和管养知识库拓展等提供了通用的识别体系和技术支撑。

采用CATIA 软件创建梁家湾大桥模型。梁家湾大桥BIM模型见图3。

图3 梁家湾大桥BIM模型

2.2 系杆拱桥运营监测系统

以BIM 模型为载体，将多源监测检查数据与BIM模型关联起来，能够便捷快速地掌握桥梁运营状态。运营监测系统组成架构见图4。其中，结构自动监测子系统、视频安全监控子系统和电子化人工巡检子系统用于荷载源、结构响应数据和现场信息的采集，将获取的数据作一定处理后，统一存储在数据存储与管理子系统中；然后使用数学工具进行相应的统计分析。设定各特征参数的安全阈值可以实现系统的安全评估和预警功能，并由用户界面子系统完成人机交互工作。

图4 运营监测系统组成架构

3 梁家湾大桥监测内容重点

桥梁运营监测旨在对影响结构安全的最关键的部位和参数进行监测，从而达到掌握桥梁整体结构状态的目的。对大桥结构进行有限元分析，结合TB 10621—2014《高速铁路设计规范》［6］和铁运函〔2004〕120 号《铁路桥梁检定规范》［7］提出重点监测内容。

3.1 有限元计算

采用MIDAS/Civil 有限元软件建立大桥三维有限元模型，见图5。通过理论计算分析，确定桥梁结构受力最不利位置及对结构受力起关键控制作用的位置，进而确定传感器布点最优方案。

图5 梁家湾大桥有限元模型

梁家湾大桥有限元模型共划分为175 个节点和218 个单元，模型中系梁、拱肋以及横撑均采用梁单元模拟，吊杆采用只受拉的桁架单元模拟。边界条件：一端约束为DX，DY，DZ，RX，RZ；另一端约束为DY，DZ。箱梁与拱肋约束采用弹性连接中的刚性连接。计算分别考虑主力、主力+附加力2种荷载组合。主力包括自重、二期恒载、ZK 活载（见图6）、预应力荷载、吊杆初拉力。附加力包括整体升降温，按±15 ℃考虑。梁家湾大桥竖向位移、拱肋y方向弯矩及吊杆索力分别见图7—图9。

图6 ZK活载图示

图7 梁家湾大桥竖向位移（单位：cm）

图8 梁家湾大桥拱肋y方向弯矩（单位：kN·m）

图9 梁家湾大桥吊杆索力（单位：kN）

由图7—图9可知：①结构的整体变形中箱梁跨中变形较大，在主力+附加力作用下最大值为2.9 cm；②提篮拱的y方向弯矩在拱脚位置较大，在主力+附加力作用下最大值为1.2×104kN·m；③吊杆在跨中及1/4跨位置索力较大，在主力+附加力作用下最大值为1.6×103kN。

3.2 重点监测内容

根据梁家湾大桥的结构特点及有限元分析结果，结合相关规范［6-7］，并借鉴以往桥梁监测经验［8-10］，确定监测内容如下：①结构特征监测，包括梁体挠度、吊杆索力、结构应力、结构振动、支座位移和梁端转角。②运营列车特征监测，包括桥梁结构视频监测和雷达测速监测。

梁家湾大桥属于特殊结构桥梁，有限的测点主要布置在结构设计中起控制作用的截面和部位［11］。测点布置见表1，传感器总体布置见图10。

表1 梁家湾大桥监测测点布置

图10 梁家湾大桥测点总体布置

4 结论

1）结合系杆拱桥特点，对桥梁进行层级划分，形成全桥的IFD 分类编码体系，采用CATIA 软件建立大桥BIM 模型。以BIM 模型为载体，将多源监测检查数据与BIM 模型关联起来，实现基于BIM 模型的信息交互。

2）对大桥进行有限元分析，并依据《高速铁路设计规范》和《铁路桥梁检定规范》确定重点监测内容。优化后全桥共布置34个测点，实现了实时监测桥梁整体运营状态的目的。