[分享]​世界最高桥的精细化养护关键技术

毕都高速北盘江大桥为世界最高桥，俗称北盘江第一桥，本文针对北盘江第一桥的结构特点及运营环境，研发了基于结构风险管理和无线Zigbee技术的结构安全监测系统，采用无线Zigbee技术使监测设备布设更加灵活、维护更加方便。引入BIM技术实现桥梁安全监测与养护一体化、运维管理3D可视化。通过试运行监测数据分析和运营管理实践表明，该系统能够对大桥的结构响应进行实时监测，并通过信息化技术有效指导大桥管养。

北盘江第一桥位于贵州省六盘水市水城县都格镇，是G76杭瑞高速贵州省毕节至都格（黔滇界）公路跨越北盘江大峡谷的一座特大型桥梁，与云南省已建的杭州至瑞丽高速普立至宣威段相接。大桥桥位处的北盘江峡谷，两岸地势陡峭，地形变化急剧，起伏很大，施工布置场地狭小，河谷深切达600m。受地形条件和技术水平的制约，大桥主桥采用主跨720m钢桁架梁斜拉桥方案，全桥桥跨布置为（80+88+88+720+88+88+80）（主桥）+3×34（引桥），全桥长为1341.4m，为目前世界第二大跨径的钢桁架梁斜拉桥，桥面至水面垂直高差达565米，为世界最高桥。

建立北盘江第一桥的结构安全监测系统和基于BIM的管养信息化系统，其目的是采集原始数据并进行结构分析，准确地对大桥全桥状况作出评估，及时获取大桥在运营期间的工作状态和力学行为，及时对其安全性能作出评价和预警，使得大桥的安全性处于受控之中。开发基于BIM和资产管理理念的管养信息化系统，实现管养全过程的数字化、可视化，大幅提高检测、养护工作精细化水平。

BIM技术是一种数据化工具，旨在将建筑物全寿命周期的信息进行共享和传递。北盘江第一桥监测系统将BIM技术、BIM可视化模型与互联网技术等相结合，为监测系统的结构数据共享、数据分析、状态评估等服务功能提供全面的信息化服务。

构建基于BIM的大桥养管信息化模型的基础，是桥梁构件编码离散化，系统基于桥梁构件特性、风险分析等原则对其进行单元化解析，建立单元终身ID编码体系，并将单元静动态属性与ID编码进行唯一性关联，便于建立BIM可视化模块。

图1 系统构架

大桥结构安全监测系统通过调用BIM数据库并结合风险库、检查检测措施库、病害库等进行有效的安全预警，系统构架见图1。大桥BIM数据库，用于存储和调用不同类型的数据信息，实现桥梁3D模型与管养信息的可视化展示。

北盘江第一桥BIM模型精度等级达到了LOD300，能够实现大桥构件层级的可视化数据管理，实现了模型漫游、构件查看、病害评级筛选等功能，BIM 3D可视化模型见图2。

图2 构件层级的可视化模型

图3 BIM可视化模型在中心的实际操作

根据北盘江第一桥自身的运营环境、整体及局部受力特点，根据实用性、可靠性、技术先进性和耐久性，对主桥和引桥拟定结构安全监测项目及监测点布设方案。

大桥监测内容主要分为荷载源、结构静动力响应两大部分：

1.荷载源监测项：风荷载（包括风速、风向），温湿度（包括空气温湿度、结构温度场）监测，动态交通荷载监测（包括视频交通监测），地震动监测。

2.结构静动力响应：

(1)结构静力特性监测项，包括关键代表性构件受力、控制点的空间变位状况。

(2)结构动力特性监测项，包括桥梁主梁、拉索等构件固有动力特性监测与分析。

全桥测点总计191个，测点布置见图4。

图4 北盘江大桥测点布置图

考虑到北盘江第一桥结构特点和传感器的布设情况,选用分布式数据采集方案，数据传输网络选用工业以太网,分为两级：主干光纤仍采用传统冗余环网,第二级为分支链状网络,无线传感器的网关及其他信号调理器等终端设备,直接连接到主干管理型交换机上。无线网关具有备用链路,通过运营商网络将数据上传至云服务器,可实现快速安装，快速部署、快速投入使用。无线加速度传感器采用低功耗芯片和功率器件,由太阳能电池板供电即可满足功耗要求。系统网络充分考虑了现场无线传输和远距离有线传输。保证系统的现场便利性,同时提高远程传输的可靠性。

图5 监测页面实例

为验证无线传感器在北盘江第一桥中的应用效果，选取大桥贵州侧拉索振动监测数据进行分析。

图6 贵州侧斜拉索振动极值统计图

可以看出，在运营期大部分时间内斜拉索振动在正常范围之内，加速度均方根值小于30mg，主要受风和汽车荷载的耦合作用。个别斜拉索在个别时间发生了较大振幅的振动。通过数据分析可知，拉索最大振动发生在ACC-C10-001（索号GZ-Z15-R）处，最大加速度均方根值为77mg。其他振动较大的拉索为ACC-C11-001（索号GZ-Z21-R），最大加速度均方根值为43.2mg。通过对原始时程数据分析，可知此二根拉索分别在2017-11-24 09:40、2017-12-03 06:10振动较大，随后恢复正常。

实测各个监测斜拉索索力均明显小于设计容许索力，安全系数在3.8～6.2之间，说明大桥拉索安全储备较大，大桥运营过程中斜拉索处于安全状态；部分索振幅较大，可能对锚头及减震架耐久性有一定损害，需引起管养阶段的关注。

图7 振动最大处时程

监测系统自2017年9月投入使用，到2019年10月已正常运行2年多的时间。目前按照季度出具监测数据分析报告，开展了专项评估分析工作。以下为索力评估情况。

本文设计了基于BIM技术的信息化管养系统和无线Zigbee技术的北盘江第一桥结构安全监测系统，BIM和无线技术的应用便于信息共享和系统灵活部署。运行期间监测数据分析和BIM管养系统应用情况表明，信息化手段为大桥安全状况评估提供有效数据，能够服务于运营期北盘江第一桥的养护管理等决策的制定。