承受超重荷載掛籃自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)可靠性分析*

陳明杰，李平杰

(1.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交交通基礎(chǔ)工程環(huán)保與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510230)

隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)一步完善，越來(lái)越多橋梁應(yīng)用到大型項(xiàng)目中，掛籃也普遍應(yīng)用于橋梁懸臂現(xiàn)澆施工中。由于輕質(zhì)高強(qiáng)、剛度大、拆卸方便、移籃操作簡(jiǎn)單、能承受比自身重量大很多的施工荷載等優(yōu)點(diǎn)，掛籃成為懸臂現(xiàn)澆施工理想的主要荷載承重設(shè)備，其中最為突出、應(yīng)用最多的為菱形掛籃。菱形掛籃主受力桁架為菱形結(jié)構(gòu)，是在平行桁架式掛籃基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化而來(lái)。菱形主桁架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力明確，各構(gòu)件均為拉壓桿件，節(jié)點(diǎn)受力，不存在受彎現(xiàn)象，因此具有較大承載力，工作系數(shù)一般在0.3～0.6。

在實(shí)際橋梁施工中，由于掛籃混凝土非對(duì)稱(chēng)澆筑、吊帶損傷、錨固不牢靠等造成掛籃坍塌及過(guò)大變形時(shí)有發(fā)生，且菱形掛籃本身承受荷載比自重大，一旦結(jié)構(gòu)失效造成嚴(yán)重后果，給我國(guó)交通基建帶來(lái)巨大損失和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1-5]，迫切需要研究一種能準(zhǔn)確監(jiān)控掛籃安全狀態(tài)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)警功能，增強(qiáng)信息化施工準(zhǔn)確性，保證項(xiàng)目安全進(jìn)行。

經(jīng)過(guò)調(diào)研，目前不少學(xué)者采用有限元仿真分析方法對(duì)掛籃各施工工況進(jìn)行計(jì)算分析，但計(jì)算結(jié)果往往與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差較大[6]，開(kāi)發(fā)掛籃自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)可靠性做出評(píng)價(jià)，對(duì)保障掛籃施工安全具有重要價(jià)值[7]。國(guó)內(nèi)陸續(xù)開(kāi)發(fā)出掛籃監(jiān)控系統(tǒng)，但如何評(píng)價(jià)其可靠性和準(zhǔn)確性卻鮮有研究。本文依托重慶市萬(wàn)州區(qū)某在建大橋，橋梁施工采用菱形掛籃，最重節(jié)塊重902.4t。通過(guò)對(duì)掛籃進(jìn)行預(yù)壓，結(jié)合自主開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化掛籃監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并與有限元計(jì)算結(jié)果、人工監(jiān)測(cè)結(jié)果等進(jìn)行比對(duì)，考慮結(jié)構(gòu)形式、加載方式、加載制度等，對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、可靠性與合理性進(jìn)行論證分析。

1 工程概況

重慶市萬(wàn)州區(qū)某在建大橋是一座萬(wàn)一中至駙馬片區(qū)庫(kù)岸及消落區(qū)綜合整治工程的重點(diǎn)大橋，全長(zhǎng)540.0m，橋面寬36.0m，橋型布置為(65+110+180+110+65)m梁拱組合體系，主梁采用連續(xù)梁，單箱四室截面，箱梁頂寬36.0m、底寬23.84～26.59m，梁高從墩頂9.50m向跨中4.0m以1.8次拋物線過(guò)渡。結(jié)構(gòu)形式為下承式梁拱組合體系，采用先梁后拱式施工工藝，總體橋梁設(shè)計(jì)自重大，主梁采用懸臂澆筑，懸臂澆筑節(jié)段自重達(dá)902.4t，是目前國(guó)內(nèi)最重懸臂澆筑節(jié)段，掛籃總重362t，質(zhì)量比達(dá)0.4。

在橋墩頂面節(jié)段澆筑完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后開(kāi)始安裝掛籃，沿大、小里程方向同步進(jìn)行，以免對(duì)橋墩產(chǎn)生過(guò)大偏載，模型如圖1所示。根據(jù)掛籃受力，在大、小里程側(cè)對(duì)稱(chēng)布置傳感器。其中，在中間榀菱形架布置靜力水準(zhǔn)儀和振弦式應(yīng)變計(jì)，如圖2所示，在邊榀只布置靜力水準(zhǔn)儀，每根前吊帶安裝振弦式應(yīng)變計(jì)，面向大里程從左依次編號(hào)為左吊帶1～7，右吊帶7～1，共38支應(yīng)變計(jì)，12臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀。分別在箱形梁腹板位置預(yù)埋反力架，通過(guò)千斤頂與反力架給底籃施加豎向荷載，按三級(jí)加載，分別為最大荷載的25%，50%，100%，如表1所示，加載曲線如圖3所示。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)及材料容許應(yīng)力設(shè)置預(yù)警值，如表2所示。

表2 掛籃各部位指標(biāo)各級(jí)預(yù)警值

圖3 加載曲線

表1 各千斤頂加載級(jí)

圖1 掛籃BIM模型

圖2 典型斷面測(cè)點(diǎn)布置

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.1 掛籃主桁架豎向位移

為便于分析，規(guī)定相對(duì)位移向下為正，向上為負(fù)。由圖4可知，大、小里程側(cè)主桁架立桿頂部及前上橫桿端部相對(duì)于中間榀桁架立桿的豎向位移基本對(duì)稱(chēng)分布，與掛籃對(duì)稱(chēng)形式及荷載對(duì)稱(chēng)加載吻合。其中最大位移均出現(xiàn)在中間榀桁架梁端，其次是邊榀梁端位移，邊榀立桿頂部位移相對(duì)于中間榀為負(fù)，說(shuō)明中間榀立桿壓縮變形比邊榀大，這與中間荷載大、邊榀荷載小的加載制度一致。位移曲線從初始數(shù)據(jù)清零至第一級(jí)加載結(jié)束，位移不斷增加，持荷穩(wěn)定；第二級(jí)加載，位移再次增加，持荷穩(wěn)定；第三級(jí)加載，位移再次增加，持荷穩(wěn)定；最后卸載，位移急劇下降并趨于0。除中間榀立桿頂面位移作為參考點(diǎn)外，主桁架其他部位相對(duì)位移曲線均能明顯看到25%，50%，100%的分級(jí)變化情況，變化趨勢(shì)與加載曲線一致。由分析結(jié)果可知，數(shù)據(jù)對(duì)稱(chēng)性、相互關(guān)系、變化趨勢(shì)等均與結(jié)構(gòu)形式、加載方式、加載制度吻合，體現(xiàn)了掛籃自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)位移監(jiān)測(cè)值的合理性與準(zhǔn)確性。

圖4 主桁架豎向位移曲線

2.2 掛籃主桁架應(yīng)力

為便于分析，規(guī)定受拉應(yīng)力為正，受壓應(yīng)力為負(fù)。由圖5可知，大、小里程側(cè)主桁架應(yīng)力曲線基本對(duì)稱(chēng)，與掛籃的對(duì)稱(chēng)形式及荷載對(duì)稱(chēng)加載吻合良好。其中前撐桿、立桿、后連桿為受壓桿件，前上橫桿、后拉桿為受壓桿件，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在前撐桿，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在前上橫桿，與理論受力狀態(tài)相符。應(yīng)力曲線從初始數(shù)據(jù)清零到第一級(jí)加載結(jié)束，應(yīng)力不斷增加，持荷穩(wěn)定；第二級(jí)加載，應(yīng)力再次增加，持荷穩(wěn)定；第三級(jí)加載，應(yīng)力再次增加，持荷穩(wěn)定；最后卸載，應(yīng)力急劇下降并趨于0。主桁架桿件應(yīng)力曲線均能明顯看到25%，50%，100%的分級(jí)變化情況，其變化趨勢(shì)與加載曲線一致。從分析結(jié)果來(lái)看，數(shù)據(jù)對(duì)稱(chēng)性、桿件受力狀態(tài)、變化趨勢(shì)等均與結(jié)構(gòu)形式、加載方式、加載制度、理論受力狀態(tài)吻合，體現(xiàn)了掛籃自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)值的合理性與準(zhǔn)確性。

圖5 主桁架應(yīng)力曲線

2.3 掛籃吊帶應(yīng)力

為便于分析，規(guī)定受拉應(yīng)力為正，受壓應(yīng)力為負(fù)。由圖6，7可知，除大里程側(cè)左吊帶1和小里程側(cè)右吊帶1損壞，其他吊帶應(yīng)變計(jì)正常工作。大、小里程側(cè)吊帶應(yīng)力曲線基本對(duì)稱(chēng)，與掛籃對(duì)稱(chēng)形式及荷載對(duì)稱(chēng)加載吻合良好。所有帶吊均為受拉狀態(tài)，最大吊帶應(yīng)力出現(xiàn)在左、右吊帶5位置，最小吊帶應(yīng)力基本出現(xiàn)在邊榀，與荷載分布及理論受力狀態(tài)相符。吊帶應(yīng)力曲線從初始數(shù)據(jù)清零到第一級(jí)加載結(jié)束，應(yīng)力不斷增加，持荷穩(wěn)定；第二級(jí)加載，應(yīng)力再次增加，持荷穩(wěn)定；第三級(jí)加載，應(yīng)力再次增加，持荷穩(wěn)定；最后卸載，應(yīng)力急劇下降并趨于0。吊帶應(yīng)力曲線均能明顯看到25%，50%，100%的分級(jí)變化情況，變化趨勢(shì)與加載曲線一致。從分析結(jié)果來(lái)看，數(shù)據(jù)對(duì)稱(chēng)性、吊帶受力狀態(tài)、變化趨勢(shì)等均與結(jié)構(gòu)形式、加載方式、加載制度、理論受力狀態(tài)吻合，體現(xiàn)了掛籃自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)值的合理性與準(zhǔn)確性。

圖6 右吊帶應(yīng)力曲線

圖7 左吊帶應(yīng)力曲線

根據(jù)荷載總和進(jìn)行吊帶最大平均應(yīng)力計(jì)算，與大、小里程側(cè)實(shí)測(cè)值、有限元計(jì)算值等進(jìn)行比較，由于大里程側(cè)左吊帶1和小里程側(cè)右吊帶1損壞，且吊帶應(yīng)力分布不均勻，為避免實(shí)測(cè)值缺失導(dǎo)致平均值過(guò)大而偏離真實(shí)值，按左、右對(duì)稱(chēng)性賦值給大里程側(cè)左吊帶1和小里程側(cè)右吊帶1，平均值計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3可知，大里程側(cè)實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值接近，約為38MPa；小里程側(cè)實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算值接近，約為35MPa；大、小里程側(cè)實(shí)測(cè)值平均值也相差不大，可見(jiàn)掛籃自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)值可靠性較高，數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確、合理。

表3 加載過(guò)程中吊帶最大應(yīng)力

2.4 掛籃應(yīng)力、位移綜合分析

由表3及圖8可知，實(shí)測(cè)吊帶應(yīng)力分布基本左右對(duì)稱(chēng)，且基本在吊帶5位置出現(xiàn)峰值，最小值基本出現(xiàn)在最邊上吊帶，與有限元計(jì)算值基本吻合。主桁架豎向位移對(duì)比如圖9所示，由于現(xiàn)場(chǎng)人工監(jiān)測(cè)條件有限，只監(jiān)測(cè)了中間榀、次左邊榀、次右邊榀桁架梁端位移，自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)了邊榀和中間榀梁端和立桿，為便于分析，通過(guò)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)值和榀間距進(jìn)行內(nèi)插，求取次左邊榀和次右邊榀位移。由圖9可知，無(wú)論是自動(dòng)監(jiān)測(cè)值、人工監(jiān)測(cè)還是有限元計(jì)算值，相對(duì)于中間榀立桿頂面，桁架梁端位移均為豎直向下，立桿位移均為豎直向上，均與荷載分布及理論計(jì)算值吻合。此外，人工監(jiān)測(cè)采用全站儀進(jìn)行，因?yàn)闇y(cè)量人員及儀器誤差影響較大，監(jiān)測(cè)值相對(duì)偏大，自動(dòng)監(jiān)測(cè)值次之，有限元計(jì)算值最小。采用的系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)值是人工監(jiān)測(cè)值及理論值的中和，可靠性更高。

圖8 不同吊帶應(yīng)力對(duì)比

圖9 主桁架豎向位移對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)對(duì)掛籃進(jìn)行預(yù)壓，結(jié)合自主開(kāi)發(fā)的掛籃自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而分析數(shù)據(jù)可靠性和合理性的方法可行。

2)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)所測(cè)桁架豎向位移數(shù)據(jù)對(duì)稱(chēng)性、相互關(guān)系、變化趨勢(shì)等均與結(jié)構(gòu)形式、加載方式、加載制度吻合，體現(xiàn)了掛籃自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)位移監(jiān)測(cè)值的合理性與準(zhǔn)確性。通過(guò)比較，人工監(jiān)測(cè)值相對(duì)偏大，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)值次之，有限元計(jì)算值最小。采用的系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)值是人工監(jiān)測(cè)值及理論值的中和，相對(duì)而言可靠性更高。

3)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)所測(cè)桁架、吊帶應(yīng)力數(shù)據(jù)對(duì)稱(chēng)性、桿件受力狀態(tài)、變化趨勢(shì)等均與結(jié)構(gòu)形式、加載方式、加載制度、理論受力狀態(tài)吻合，體現(xiàn)了掛籃自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)值合理性與準(zhǔn)確性。大、小里程側(cè)吊帶應(yīng)力實(shí)測(cè)均值與理論計(jì)算值、有限元計(jì)算值均較為接近。