阅读说明：本技术 一种钢管混凝土系杆拱桥拱座水平位移监测与控制系统 (Steel pipe concrete tied arch bridge hunch seat horizontal displacement monitoring and control system ) 是由 解威威 唐睿楷 叶志权 *** 邵羽 李彩霞 郑健 刘祥 梁厚燃 莫昀锦 韦晶晶 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及桥梁建设技术领域,尤其是一种钢管混凝土系杆拱桥拱座水平位移监测与控制系统,包括系杆拱桥、千斤顶及控制装置,所述系杆拱桥包括桥体、系杆及拱座,所述拱座设有两个,且分别与所述桥体的两端连接,两所述拱座背向的一侧均设有脚撑,所述系杆滑动穿设于两所述拱座,且两端均依次穿过所述拱座及所述脚撑,所述系杆位于所述撑脚与所述拱座之间套设有锚具,所述锚具一端与所述拱座连接,且用于所述系杆的滑动连接；所述千斤顶用于所述系杆的夹持固定,且一端与所述撑脚抵接,以控制所述拱座的水平位移；控制装置用于自动控制所述千斤顶的伸长。本发明提供能够实时干预拱座的水平位移,保证系杆拱桥在施工过程中的安全。(The invention relates to the technical field of bridge construction, in particular to a steel pipe concrete tied arch bridge arch abutment horizontal displacement monitoring and control system, which comprises a tied arch bridge, a jack and a control device, wherein the tied arch bridge comprises a bridge body, two tied rods and two arch abutments, the two tied rods are respectively connected with two ends of the bridge body, one sides of the two arch abutments, which are opposite to each other, are respectively provided with a foot support, the tied rods are slidably arranged on the two arch abutments, two ends of each tied rod sequentially penetrate through the arch abutments and the foot supports, an anchorage device is sleeved between the foot supports and the arch abutments, and one end of the anchorage device is connected with the arch abutments and is used for the sliding connection of the tied rods; the jack is used for clamping and fixing the tie bar, and one end of the jack is abutted against the supporting foot so as to control the horizontal displacement of the arch support; the control device is used for automatically controlling the extension of the jack. The invention can intervene the horizontal displacement of the arch abutment in real time and ensure the safety of the tied arch bridge in the construction process.)

一种钢管混凝土系杆拱桥拱座水平位移监测与控制系统

技术领域

本发明涉及桥梁建设技术领域，尤其是一种钢管混凝土系杆拱桥拱座水平位移监测与控制系统。

背景技术

拱桥在竖向荷载作用下拱脚产生水平推力，水平推力能够有效降低拱肋截面上的弯矩，保证拱肋处于轴心受压或是小偏压的受力状态，因此拱桥的跨越能力较强，且能够充分利用石材、混凝土和钢管混凝土等材料的承压特性，但过大的拱脚水平推力对地基承载力要求较高，一般在平原地区或是软弱地基层上修建有推力拱桥成本较高，为此工程师提出系杆拱桥的概念，通过系杆平衡拱座的水平推力，不仅降低了拱桥对地基水平承载力的要求，同时提高了拱桥的适用范围，使拱桥在平原地区同样具有极强的竞争力。系杆和拱肋通过拱座进行连接，拱座的安全性和耐久性对整个拱桥的正常运行至关重要，必须在施工过程中保证拱座的质量，因此拱座的施工监控是整个系杆拱桥施工监控的重点。

钢管混凝土系杆拱桥施工时一般先修建拱座，然后吊装钢管拱肋，此时钢管拱肋自身重力产生的荷载效应传递到拱座上，对拱座产生水平推力，受拉区有出现裂缝的可能，钢管拱肋合龙之后灌注混凝土，混凝土自重大，对拱座的水平推力非常大，如果不采取控制措施将使得拱座产生较大的水平位移，超出设计要求，对拱座和整个拱桥的安全性带来隐患。

为保证拱座的水平位移满足要求，当前施工时通过张拉临时系杆来平衡拱座承受的水平推力，但目前这种调节方式是被动的，依赖于人工经验的，例如在灌注完某一根钢管内的混凝土后，如果发现拱座水平位移超限，则进行一次系杆力调整，但很明显这只是一种事后补救的调整方式，因为混凝土灌注过程中拱座的水平位移可能已经超限了，已经对拱座产生了不可逆的损伤，同时由于拱座难以准确模拟，往往难以准确求出系杆力具体调整数值，这就存在调节过大或过小的风险。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种钢管混凝土系杆拱桥拱座水平位移监测与控制系统，能够实时干预拱座的水平位移，保证系杆拱桥在施工过程中的安全。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种钢管混凝土系杆拱桥拱座水平位移监测与控制系统，包括系杆拱桥、千斤顶及控制装置，

所述系杆拱桥包括桥体、系杆及拱座，所述拱座设有两个，且分别与所述桥体的两端连接，两所述拱座背向所述桥体的一侧均设有脚撑，所述系杆两端均依次滑动穿过所述拱座及所述脚撑，所述系杆位于所述撑脚与所述拱座之间套设有锚具，所述锚具一端与所述拱座连接，另一端设置有用于夹紧所述系杆的夹具，所述千斤顶分别设于所述系杆的两端，其一端固定在所述撑脚上，另一端与所述系杆的一端配合夹紧，以控制所述拱座的水平位移；

所述控制装置包括施工计划模块、有限元分析模块、油泵模块及校核模块，

所述施工计划模块用于施工项目和施工项目所对应时间的计划；所述有限元分析模块用于将所述施工计划模块数据进行有限元分析，以获得所述拱座位移量与时间的关系曲线；

所述油泵模块用于将所述有限元分析模块中位移量与时间的关系曲线的数据信号转化为控制信号，所述油泵模块根据控制信号中，在对应的时间控制所述千斤顶进行对应的伸长量，以使所述千斤顶能够推动所述拱座，以实现所述拱座水平位移量的调整。

所述校核模块包括位移传感器、数据规定值设置子模块及分析处理子模块，

所述位移传感器设于所述拱座上，且用于所述拱座位移量的测量；所述规定值设置子模块用于所述拱座水平位移量规定值的设置，所述分析处理子模块用于在每天的施工项目后通过数据采集子模块获取所述位移传感器的数值，并将所述位移传感器的数值与所述规定值设置子模块的规定值进行比较，当所述位移传感器的数值大于所述规定值设置子模块的数值时，所述分析处理子模块根据所述位移传感器与所述规定值设置子模块的数值之差生成位移校核量，并通过所述油泵模块控制所述千斤顶对所述拱座进行水平位移量的调整。

进一步地，所述施工计划模块中施工项目包括节段吊装、扣索张拉、松扣索、系杆张拉、混凝土灌注及格子梁吊装。

进一步地，所述拱座位移校核量的平移步骤为：

S1：所述分析处理子模块将位移校核量分为若干份等量的校核子量；

S2：所述分析处理子模块对所述油泵模块输入校核子量，以使所述千斤顶对所述拱座进行一次校核子量的水平移动；

S3：所述数据采集子模块对所述位移传感器的测值进行采集，当所述位移传感器的数值大于所述规定值设置子模块的数值时，重复步骤S2直至所述位移传感器的数值小于所述规定值设置子模块的数值。

进一步地，还包括模型展示端，所述模型展示端包括模型建立模块及位移显示模块，所述模型建立模块用于通过Tekla软件对所述系杆拱桥进行建模；所述位移显示模块用于获取所述分析处理子模块及所述分析处理子模块的数据，且在所述模型建立模块中显示所述拱座的水平位移轨迹。

进一步地，所述位移显示模块还能够获取所述施工计划模块的数据，通过选择不同的水平位移轨迹能够获取对应的施工项目及施工时间。

进一步地，所述控制装置还包括调整模块，所述调整模块包括环境量采集子模块、历史环境量获取子模块及环境量对比子模块，所述环境量采集子模块用于通过温度传感器及风速传感器，且用于所述系杆拱桥所在位置温度及风速的测量，以生成每日温度及风速的平均值；所述历史环境量获取子模块用于获取所述系杆拱桥所在位置的历年中每日温度及风速的平均值；所述环境量对比子模块用于将所述环境量采集子模块与所述历史环境量获取子模块相对应时间的数值进行比较，当所述环境量采集子模块与所述历史环境量获取子模块的差值大于设定值时，所述有限元分析模块根据其差值调整所述拱座位移量与时间的关系曲线。

本发明的有益效果是：

1.由于拱座在施工的过程中会因为施工的项目而出现水平位移，本发明通过有限元分析模块对施工的项目和施工项目所对应的时间进行分析，从而获得拱座位移量与时间的关系曲线，油泵模块能够根据拱座位移量与时间的关系曲线控制千斤顶，千斤顶通过伸长以对拱座产生水平推力，保证拱座在在施工的过程中处于符合规定的位移量，解决了人工测量初应力的滞后性，避免结构安全带来隐患。分析处理子模块能够将位移传感器的数值与规定值设置子模块的规定值进行比较，当位移传感器的数值大于规定值设置子模块的数值时，分析处理子模块根据位移传感器与规定值设置子模块的数值之差生成位移校核量，控制油泵模块，以使油泵模块能够控制千斤顶，在分析处理子模块在每天的施工项目后进行校核，能够防止有限元分析模块出现计算误差或其他因素出现的误差，保证了拱座水平位移调节的准确性。

2.在有限元分析模块的控制下，拱座的水平位移调整实时性高，但是准确性并不高，拱座的水平位移与拱座的水平位移的超限值相差较近了，这时分析处理子模块如对拱座的水平位移进行调节，容易出现调节量较大的情况，容易对拱座混凝土产生二次损伤，埋下安全隐患，本发明中分析处理子模块通过将位移校核量分为若干份等量的校核子量，并对油泵模块输入校核子量，千斤顶对拱座进行一次校核子量的水平位移，再次测量拱座的水平位移，直至位移传感器的数值小于规定值设置子模块数值。由于每次拱座位移的干预都是小量控制，弥补计算的不足，同时安全性高、稳定性强、控制结果好。通过有限元分析模块与分析处理子模块的配合，能够保证了拱座位移调整的实时性和准确性。

3.在位移显示模块的作用下，工作人员能够直观地监控拱座位移调整的情况，而且位移显示模块能够获取施工计划模块的数据，通过选择不同的水平位移轨迹能够获取对应的施工项目及施工时间，使工作人员能够更好地分析施工项目对拱座位移情况的影响，以在以后的桥梁建设中计算出更准确的拱座位移量与时间的关系曲线，促进了桥梁建设的进步。

附图说明

图1是本发明一较佳实施方式的钢管混凝土系杆拱桥拱座水平位移监测与控制系统的结构示意图。

图2是本发明一较佳实施方式的钢管混凝土系杆拱桥拱座水平位移监测与控制系统的千斤顶结构示意图。

图3是本发明一较佳实施方式的钢管混凝土系杆拱桥拱座水平位移监测与控制系统的控制框图。

图4是本发明一较佳实施方式的钢管混凝土系杆拱桥拱座水平位移监测与控制系统的位拱座位移量与时间的关系曲线图。

图中，1-桥体，11-系杆，12-拱座，13-脚撑，14-锚具，2-千斤顶，3-施工计划模块，4-有限元分析模块，5-油泵模块，6-校核模块，61-位移传感器，62-数据规定值设置子模块，63-分析处理子模块，7-数据采集子模块，8-调整模块，81-环境量采集子模块，82-历史环境量获取子模块，83-环境量对比子模块，9-模型展示端，91-模型建立模块，92-位移显示模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请同时参见图1至图3，本发明一较佳实施方式的钢管混凝土系杆拱桥拱座水平位移监测与控制系统，包括系杆拱桥、千斤顶2及控制装置。

系杆拱桥包括桥体1、系杆11及拱座12，拱座12设有两个，且分别与桥体1的两端连接，两拱座12背向桥体1的一侧均设有脚撑13，系杆11两端均依次滑动穿过拱座12及脚撑13，系杆11位于撑脚13与拱座12之间套设有锚具14，锚具14一端与拱座12连接，另一端设置有用于夹紧系杆11的夹具141，千斤顶2分别设于系杆11的两端，其一端固定在撑脚13上，另一端与系杆11的一端配合夹紧，以控制拱座12的水平位移。

本实施例中，千斤顶2采用穿心式千斤顶，主要用于群锚整体张拉。其一端能够将系杆11进行夹持。

由于钢管混凝土系杆拱桥施工时一般先修建拱座，然后吊装钢管拱肋，此时钢管拱肋自身重力产生的荷载效应传递到拱座上，对拱座产生水平推力，受拉区有出现裂缝的可能，钢管拱肋合龙之后灌注混凝土，混凝土自重大，对拱座的水平推力非常大，在千斤顶2的作用下，能够推动两拱座12相对方向移动，从而保证拱座能够处于符合规定的位移量。

控制装置包括施工计划模块3、有限元分析模块4、油泵模块5及校核模块6。

施工计划模块3用于施工项目和施工项目所对应时间的计划；有限元分析模块4用于将施工计划模块3数据进行有限元分析，以获得拱座12位移量与时间的关系曲线。

油泵模块5用于将有限元分析模块4中位移量与时间的关系曲线的数据信号转化为控制信号，油泵模块5根据控制信号中，在对应的时间控制千斤顶2进行对应的伸长量，以使千斤顶2能够推动拱座12，以实现拱座12水平位移量的调整。

本实施例中，施工计划模块3中施工项目包括节段吊装、扣索张拉、松扣索、系杆张拉、混凝土灌注及格子梁吊装。由于在节段吊装、扣索张拉、松扣索、系杆张拉、混凝土灌注及格子梁吊装的施工项目中，系杆拱桥会出现拱座水平位移的情况。

通过有限元分析模块4计算出施工项目对系杆拱桥位移的影响，并且生成拱座12位移量与时间的关系曲线，拱座12位移量与时间的关系曲线如图4所示，本实施例中，分析了节段吊装、混凝土灌注及格子梁吊装施工对拱座12水平位移量的影响，在施工的过程中，通过油泵模块5控制千斤顶2的伸长量，以调整拱座12的水平位移量。保证拱座在在施工的过程中处于符合规定的位移量，解决了人工测量初应力的滞后性，避免结构安全带来隐患。

本实施例中，控制装置还包括调整模块8，调整模块8包括环境量采集子模块81、历史环境量获取子模块82及环境量对比子模块83。

环境量采集子模块81用于通过温度传感器及风速传感器对系杆拱桥所在位置温度及风速的测量，以生成每日温度及风速的平均值。

历史环境量获取子模块82用于获取系杆拱桥所在位置的历年中每日温度及风速的平均值。

环境量对比子模块83用于将环境量采集子模块81与历史环境量获取子模块82相对应时间的数值进行比较，当环境量采集子模块81与历史环境量获取子模块82的差值大于设定值时，有限元分析模块4根据其差值调整拱座12位移量与时间的关系曲线。

由于拱座的水平位移量是会受到环境的温度及风力影响的，相同的系杆拱桥在不同的温度及风力中会具有不同的水平推力，本实施例中通过环境量对比子模块83将环境量采集子模块81与历史环境量获取子模块82相对应时间的数值进行比较，以判断环境量采集子模块81与历史环境量获取子模块82的差值是否大于设定值，当环境量采集子模块81与历史环境量获取子模块82的差值大于设定值时，证明目前的温度及风力处于异常状态，从而通过调整有限元分析模块4，以提高拱座12位移量与时间的关系曲线的准确性。

校核模块6包括位移传感器61、数据规定值设置子模块62及分析处理子模块63。

位移传感器61设于拱座12上，且用于拱座12位移量的测量。

规定值设置子模块62用于拱座12水平位移量规定值的设置，分析处理子模块63用于在每天的施工项目后通过数据采集子模块7获取位移传感器61的数值，并将位移传感器61的数值与规定值设置子模块62的规定值进行比较，当位移传感器61的数值大于规定值设置子模块62的数值时，分析处理子模块63根据位移传感器61与规定值设置子模块62的数值之差生成位移校核量，控制油泵模块5，以使油泵模块5能够控制千斤顶2。

分析处理子模块62能够将位移传感器61的数值与规定值设置子模块62的规定值进行比较，当位移传感器61的数值大于规定值设置子模块63的数值时，分析处理子模块63根据位移传感器61与规定值设置子模块62的数值之差生成位移校核量，控制油泵模块5，以使油泵模块5能够控制千斤顶2，在分析处理子模块63在每天的施工项目后进行校核，能够防止有限元分析模块4出现计算误差或其他因素出现的误差，保证了拱座水平位移调节的准确性。

本实施例中，拱座12位移校核量的平移步骤为：

S1：分析处理子模块63将位移校核量分为若干份等量的校核子量；

S2：分析处理子模块63对油泵模块5输入校核子量，以使千斤顶2对拱座12进行一次校核子量的水平移动；

S3：数据采集子模块7对位移传感器61的测值进行采集，当位移传感器61的数值大于规定值设置子模块62的数值时，重复步骤S2直至位移传感器61的数值小于规定值设置子模块62的数值。

在有限元分析模块4的控制下，拱座12的水平位移调整实时性高，但是准确性并不高，有限元分析模块4调整后，拱座12的水平位移与拱座12的水平位移的超限值相差较近了，这时分析处理子模块63如对拱座12的水平位移进行调节，容易出现调节量较大的情况，容易对拱座混凝土产生二次损伤，埋下安全隐患，本申请中分析处理子模块63通过将位移校核量分为若干份等量的校核子量，并对油泵模块5输入校核子量，千斤顶2对拱座12进行一次校核子量的水平位移，再次测量拱座12的水平位移，直至位移传感器61的数值小于规定值设置子模块62数值。由于每次拱座12位移的干预都是小量控制，弥补计算的不足，同时安全性高、稳定性强、控制结果好。通过有限元分析模块4与分析处理子模块63的配合，能够保证了拱座12位移调整的实时性和准确性。

本实施例还包括模型展示端9，模型展示端9包括模型建立模块91及位移显示模块92，模型建立模块91用于通过Tekla软件对系杆拱桥进行建模；位移显示模块92用于获取分析处理子模块63及分析处理子模块63的数据，且在模型建立模块91中显示拱座12的水平位移轨迹。

位移显示模块92还能够获取施工计划模块3的数据，通过选择不同的水平位移轨迹能够获取对应的施工项目及施工时间。

在位移显示模块92的作用下，工作人员能够直观地监控拱座12位移调整的情况，而且位移显示模块92能够获取施工计划模块3的数据，通过选择不同的水平位移轨迹能够获取对应的施工项目及施工时间，使工作人员能够更好地分析施工项目对拱座位12移情况的影响，以在以后的桥梁建设中计算出更准确的拱座12位移量与时间的关系曲线，促进了桥梁建设的进步。

本实施例的钢管混凝土系杆拱桥拱座水平位移监测与控制过程为：

1、有限元分析模块4将施工计划模块3数据进行有限元分析，并获得拱座12位移量与时间的关系曲线。

2、在系杆拱桥按照施工计划模块3进行施工时，限元分析模块4根据拱座12位移量与时间的关系曲线控制油泵模块5，以控制千斤顶2的伸长量，实现拱座12的水平位移量调整。

3、当环境量采集子模块81与历史环境量获取子模块82的差值大于设定值时，有限元分析模块4根据其差值调整拱座12位移量与时间的关系曲线。

4、在每天的施工项目后，分析处理子模块63通过数据采集子模块7获取位移传感器61的数值，并将位移传感器61的数值与规定值设置子模块62的规定值进行比较。

5、当数据采集子模块7的数值大于规定值设置子模块62的数值时，分析处理子模块63根据数据采集子模块7与规定值设置子模块62的数值之差生成位移校核量，并且将校核量分为若干份等量的校核子量，分析处理子模块63对油泵模块5输入校核子量，以使千斤顶2对拱座12进行一次校核子量的水平移动，数据采集子模块7对位移传感器61的测值进行采集，当位移传感器61的数值大于规定值设置子模块62的数值时，重复步骤S2直至位移传感器61的数值小于规定值设置子模块62的数值。