现代桥梁设计与养护方式

如唐诗一样的生活

桥梁设计是桥梁建设的重要阶段，影响着桥梁的使用寿命。
对于小桥涵来说，桥涵位置、孔径、进出口形式以及加固与消能措施是决定小桥涵抗水灾能力的关键因素。因此小桥涵设计，除了满足线路走向外，同时要考虑桥下泄洪、通航或通车的要求。小桥涵应尽可能采用标准跨径设计，以提高效率和减小风险。



对于大、中桥梁，特别是跨度大或技术复杂的桥梁，为了能在错综复杂的客观条件下，比选出经济实用且美观的设计方案，需要在前期进行深入的调研工作。
一般来说，一座桥梁的完整设计流程，分为前期工作和设计阶段。其中，前期工作包括预工程可行性研究（简称“预可”，下称“预可”）阶段和工程可行性研究（简称“工可”，下称“工可”）阶段。设计阶段包括初步设计、技术设计和施工图设计三个阶段。下面，我们一起来看下桥梁设计的具体流程以及现代桥梁设计和养护方式。



1、桥梁设计流程

前期工作
1.预可阶段
预可阶段着重研究建桥的必要性以及宏观经济上的合理性。
预可阶段形成的预工程可行性研究报告书中，应从经济、政治、国防等方面，详细阐明建桥理由和工程建设的必要性和重要性，同时初步探讨技术上的可行性。对于区域性线路上的桥梁，应以建桥地点（渡口等）的车流量调查（计及国民经济逐年增长）为立论依据。

2.工可阶段
工可阶段着重研究工程上的和投资上的可行性。
工可阶段形成的可行性研究报告书是在预可行行研究报告审批后，在必要性和合理性得到确认的基础上编写的。
可行性研究报告书中，应包括桥位选择，桥梁建设规模的确定，同时要解决桥梁和河道、航运、城市规划以及已有设施的关系。
预可阶段和工可阶段都是为科学开展项目提供依据，避免盲目性带来的严重后果。

设计阶段
1.初步设计
初步设计工作文件应根据批复的可行性研究报告、测设合同和初测、初勘或定测、详勘资料编制。主要内容包括：设计依据、设计指导思想、建设规模、技术标准、设计方案、主要工程数量和材料设计供应。征地拆迁面积、主要技术经济指标、建设程序和期限、总概算等方面的图纸和文字说明。

2.技术设计
技术设计是在已批复的初步设计的基础上，通过具体调查、测量和计算进行的。主要内容包括：为协调编制拟建工程中有关工程项目的图纸、说明书和概算等。经批复后的技术设计文件是施工图设计文件和建设项目投资的依据。

3.施工图设计
两阶段（或三阶段）施工图设计应根据技术设计批复意见、测设合同，进一步对所审定的修建原则、设计方案、技术决定加以具体和深化。在此阶段中，必须对桥梁各种构件进行详细的结构计算，并且确保强度、稳定、刚度、裂缝、构造等各种技术指标满足规范要求，绘制出施工详图，提出文字说明及施工组织计划，并编制施工图预算。

三阶段、两阶段和一阶段设计
1）三阶段设计：一般用于大型、复杂工程。
2）两阶段设计：一般的（常规的）桥梁采用两阶段设计，即初步设计和施工图设计
3）一阶段设计：一阶段设计，即施工图设计。技术简单、方案明确的小桥，采用该种设计。



2、现代桥梁设计方式

近年来，随着复杂的大型桥梁建设项目的增加，传统的CAD二维设计，制约着桥梁施工设计的发展。现代三维BIM桥梁设计方法，利用强大的可视化建模功能，在较短的时间内高质量的完成大规模的复杂桥梁设计。



OpenBridge Modeler是针对桥梁模型创建而开发的一款参数化三维设计软件，具有强大的设计建模功能，包括渲染和可视化、碰撞检测、动态视图、出钢筋表和施工模拟等。可以利用强大的参数化截面图模板，自由创建复杂形状的模型。其丰富的常用结构化和非结构化组件库可以帮助设计单位简化日常的桥梁建模工作、实现逼真的可视化效果并提供费用估算明细。



OpenBridge Modeler可用于钢箱梁、斜拉桥、混凝土桥、悬索桥、人行天桥、钢桁梁等三维设计。可根据地形、道路、入口坡道以及相关基础设施来校准设计。您可以通过交通和施工模拟来节省工期。使用碰撞检测功能可以减少图纸设计变更，让您避免不必要的返工，从而更好地控制成本。

此外，OpenBridge Modeler还有很多强大的功能：
1）采集场地和建筑条件道路几何图形和拓扑
重复使用直接从 Bentley 道路产品(例如，GEOPAK、Bentley InRoads 或 MXROAD)中获得的土木工程数据，并从 LandXML 文件导入道路信息和地面数据。



2）协调多专业的桥梁团队
交换项目信息(其中包括桥梁几何线形、材料、载荷、预应力钢绞线模式和抗剪钢筋)，从而加强决策。通过在整个桥梁生命周期过程中实时协作和共享、重复利用和重新创建数据，简化工程设计的内容管理，最大程度地减少设计错误风险和施工问题。



3）设计桥梁并建模
通过运用多专业的创新可视化流程快速生成制定工程设计决策所需的信息，加速桥梁设计。利用数据的互操作性直观的确定您设计的桥梁是否影响现有和设计项目中的元素。



4）生成桥梁项目交付成果
生成详细报表。为剖面图、立面图和框架平面图创建三维和二维工程图。



5）执行桥梁碰撞检测
通过执行与现有基础设施桥梁结构的冲突分析来降低风险，从而节省时间、消除建筑错误并降低项目成本。以三维或表的形式查看碰撞现象。检测与加固钢筋和其他嵌入件的碰撞检查相邻结构和道路之间所需的最小间隙。



OpenBridge Modeler软件详情：这一款三维桥梁建模软件，工程人都爱用

3、现代桥梁养护方式

近年来，我国一直在加强桥梁养护技术，提高桥梁检测与评估的手段和技术。当前，桥梁养护主要包括以下内容：
1. 桥梁的检测评估：按规定对使用中的桥梁进行定期检测评估，及时掌握桥梁的基本状况，并采取相应的养护措施。
桥梁的检查与检测主要分为：经常性检查、定期检测以及因特殊情况触发的检测。
经常性检查的周期不超过一个月，由桥梁养护技术人员负责实施，主要用于检查桥区的违章行为、交通事故以及特别严重的桥梁病害。
定期检测的周期一般不超过3年。根据结构的重要性和复杂程度设置。定期检测重点检测桥梁的结构病害，由养护单位的总工负责实施。
因特殊情况触发的检测是指发现桥梁重大病害、地震、火灾、洪水等灾害后，为确定桥梁的技术状态进行的检测，由具有相应检测实力的专业研究机构实施。



2.结构的养护：对桥梁结构以及桥梁的抗震设施进行养护，保障桥梁运行安全性及技术水平。
桥梁结构缺陷的主要表现形式是结构开裂，裂缝出现主要由以下三大原因引起：
1）强度不足，这是由于在荷载作用下而引起的；
2）收缩裂缝，这是由于自身的施工质量而导致的，它是因为道路桥梁本身所承受的荷载能力已经大大超出而引起的；
3）其他方面的原因造成的。桥梁结构的刚度和强度除了会随着裂缝的出现而大大降低，也会受到外界环境的一些负面影响。如果空气和水分渗入裂缝后，就会引起内部钢筋锈蚀，而降低结构的耐久性，直接导致桥梁的使用寿命降低。

3.其他设施的养护：对桥梁的排水设施、防护设施、挡土墙和护坡、人行天桥的附属物、声屏障和灯光装饰、调治构造物和桥头搭板等附属设置进行养护和维修，以保证正常使用。　　

4.建立养护档案：桥梁养护应以一座桥梁为单位建立养护档案，内容包括：桥梁主要技术资料，施工竣工资料，养护技术资料，巡检、检测、测试资料，桥梁应急预案，桥梁自振频率等技术文件及相关资料。
在我国道路桥梁养护工作中经常会遇到这样一个共同现象：道路桥梁在建成后，所运用到的各种技术资料没有及时归档，直接造成了道路桥梁养护人员手里的资料不全，使桥梁的定期检查工作不能及时到位。根据调查数据显示，我国技术档案资料不完整的桥梁大约有30%~40%，这对道路桥梁的养护工作带来了严重的挑战。



以上四大桥梁养护内容可以看出，桥梁养护对桥梁使用寿命的影响非常大。为了更好的做好桥梁养护工作，保证桥梁在使用期间安全正常的运行，我司研发了基于物联网和LoRa等技术的桥梁养护平台，平台解决了早期桥梁养护平台出现的弊端，并已投入到花都区东风大桥、广州市客村立交、珠海市省粮库桥、河源市迎客大桥等桥梁中使用。下面，我们一起来看看，桥梁养护平台能做什么，如何帮助桥梁养护。



桥梁养护平台简介
平台以桥梁BIM模型作为内核驱动，集成桥梁竣工、运营、养护信息及图文数据，实现桥梁基本数据的浏览、查询和统计，以及桥梁技术状况、病害数据的可视化以及安全预警等功能。



下面，我们一起来看下桥梁养护平台的主要功能：
1.硬件系统——传感器系统
1.1静力水准传感器
采用静力水准传感器（连通管原理）进行测量，当梁体产生竖向挠曲变形或者柱体产生不均匀沉降时，连通管内各测点的液压也相应地发生变化，通过测量液压的变化量可进一步求得桥梁关键部位的挠度或沉降值。

序号	名称	参数
1	量程	0~700mm/0~1000mm/0~1500mm
2	精度	0.1%F.S（数字输出型）
3	使用环境温度	-20℃～70℃
4	温度测量范围	-20℃～110℃
5	温度灵敏度	0.1℃
6	温度精度	±0.5℃

典型静力水准系统组网及连接示意图

1.2位移计
位移计可用于监测结构重点部位（如节点位置）变形，适配的传感器包括LVDT式和振弦式。

序号	名称	参数
1	量程	2.5, 5, 10, 15, 25, 50, 100mm量程
2	精度	0.1%F.S（数字输出型）
3	使用环境温度	-25℃ ~ +85℃
4	供电电源	9 ~28V DC

位移计实物图

1.3倾角计
倾角计可用于测量柱体/桥墩/梁体的倾斜。倾斜监测使用数字式倾角传感器，可精确测量倾斜角度的变化。

序号	名称	参数
1	量程	-2゜~2゜/-5゜~5゜/-10゜~10゜
2	精度	0.02%F.S（数字输出型）
3	使用环境温度	-25℃ ~ +85℃
4	供电电源	9 ~26V DC

倾角计实物图

1.4应力/应变计
应力/应变计测量结构局部应变（应力），采用振弦式应变传感器，其最大的优点是传感器结构简单，工作可靠，输出信号为标准的频率信号，非常方便计算机处理或代手段的电路调理。

序号	名称	参数
1	量程	400~1200Hz
2	精度	0.1Hz
3	使用环境温度	-20℃ ~ +85℃
4	供电电源	5V DC

振弦式应变传感器

2.硬件系统——物联网设备
物联网模块是整套物联监测系统能够运转的核心部件，物联网设备包含振弦物联模块、串口物联模块和物联网网关三部分，其中物联模块负责传感器数据的采集和数据发送，物联网网关负责数据的汇集和云端的数据同步。

2.1物联模块



物联模块



物联串口模块和振弦模块



2.2环境温湿度传感器



物联环境温湿度传感器

2.3物联网关



物联网关



2.4受电箱



物联受电箱



2.5光伏市电互补供电单元



3.软件系统
3.1物联设备管理和数据分发平台
软件系统为物联设备统一管理和数据解析分发平台，该平台部署于阿里云，可为部署于现场的物联设备提供登记、管理、数据解析（通讯协议转换等）和数据多平台同步分发服务，方便后期设备的维护和管理。



3.2物联结构变形监测系统软件
数据应用平台为监测项目数据处理平台，平台功能包括监测项目管理、用户管理、监测数据接收处理、监测数据分析处理、监测数据展示，用户既可以在电脑端打开网页进行数据查看跟踪，也可以通过移动端应用查看。该平台部署于阿里云，通过MQTT（消息队列）主题订阅的方式对接物联设备管理和数据分发平台的监测数据并进行后续的分析、处理和可视化展示。







物联结构变形监测系统

4.物联网监测系统优势
相比较人工监测和传统的自动化监测，通过引入物联网技术和云技术的物联监测系统具有安装部署快捷、施工成本低、供电要求低、系统稳定性高以及后期运维成本低等特点。

序号	内容	物联网监测	传统自动化监测	人工监测
1	监测频率	较高，可达最短10min监测1次	高，可达最高30s监测1次	低，一般1天监测1次
2	安装复杂程度	低，可分布式安装，无需布线， 测点无需特殊供电，仅网关需要 供电，部署方便快捷。	高，传感器需要集中采集，需要大量 的部署线缆，另外需要统一供电。	低，无需设备部署。但每 次监测都需要架设仪器。
3	软件成本	低，云端系统平台，部署一套系 统后可任意扩充监测点。	高，每个监测项目需要单独部署软件， 后期诸多套软件的运维费用高。	/
4	单次测量成本	低，系统部署完毕后实时自动监 测。	低，系统部署完毕后实时自动监测。	高，每次监测均需要人工 去现场完成，监测过程受 现场环境变化及干扰较大。
5	监测数据查看实时性	高，可通过WEB网页或者手机端 随时查看最新监测数据。	高，可通过WEB网页或者手机端随时 查看最新监测数据。	低，需要监测人员将监测 数据整理上报后才可查看。
6	可视化程度	高，监测数据的图表及趋势变化 实时呈现。	高，监测数据的图表及趋势变化实时 呈现。	低，需要人工对数据进行 处理并绘制相应图表上报 后才可查看。
7	运营维护费用	低，设备低功耗运行，且相互间 不耦连，可通过云端系统统一管 理。	高，设备和线缆需要定期人工巡查， 无法在远端管理设备状态。一旦一台 采集设备损坏会造成多个监测点无法 采集数据。线缆会因为老化或者其他 环境因素造成破损。	/
8	长期监测成本	低，设备运维和网络流量费用低， 无需人工干预。	较低，无需人工现场操作，但设备的 维护及系统运维费用高。	高，需要人工去现场操作， 人工成本高昂。

5.系统整体架构示意图



物联结构变形监测系统

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