大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋掛籃應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控技術(shù)

唐俊，王浩，宋彪

（中交一公局第四工程有限公司，廣西 南寧 530031）

0 引言

大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋是橋梁建設(shè)中的一個(gè)重要類型，作為典型的跨徑大、跨度大的橋梁之一，掛籃結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工對連續(xù)剛構(gòu)橋的安全性、經(jīng)濟(jì)性、耐久性等方面均有很大的影響。掛籃結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工直接影響到連續(xù)剛構(gòu)橋的安全、經(jīng)濟(jì)和美觀，對連續(xù)剛構(gòu)橋掛籃結(jié)構(gòu)的施工和運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控也是一個(gè)重要的技術(shù)問題。掛籃控制結(jié)構(gòu)包括：掛籃預(yù)應(yīng)力鋼束、錨具、懸掛裝置、鉸接裝置、液壓系統(tǒng)、減振系統(tǒng)等諸多部件組成。掛籃預(yù)應(yīng)力張拉裝置由張拉拉索套和張拉拉索支架三部分組成。掛籃應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)掛籃實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前國內(nèi)主要采用超聲監(jiān)測和應(yīng)變監(jiān)測儀兩種監(jiān)測手段[1]。但目前現(xiàn)有監(jiān)測與監(jiān)控方法在實(shí)際應(yīng)用中均存在監(jiān)控精度低，監(jiān)控效率差等問題，嚴(yán)重影響大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的施工，甚至若監(jiān)控不及時(shí)還會(huì)造成嚴(yán)重的施工安全問題產(chǎn)生，威脅施工人員的人身安全[2]。

針對應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控這一問題的研究，相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)取得了非常多的研究成果，例如文獻(xiàn)[3]以提升橋梁應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確度，保證橋梁施工的安全和質(zhì)量作為研究目標(biāo)，從分別從有限元模型參數(shù)誤差和現(xiàn)場測量誤差兩個(gè)方面，分析了連續(xù)剛構(gòu)橋施工應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測誤差產(chǎn)生的原因，并對誤差進(jìn)行了修正處理，以此實(shí)現(xiàn)橋梁應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。文獻(xiàn)[4]以監(jiān)測與修正預(yù)應(yīng)力混凝土應(yīng)力應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)橋梁施工控制作為研究目標(biāo)，考慮懸臂施工時(shí)橋梁荷載逐步施加的特點(diǎn)，對于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測與修正，以此保證橋梁施工的順利進(jìn)行。文獻(xiàn)[5]通過分析應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測對于施工方案設(shè)計(jì)與實(shí)際施工的重要性，應(yīng)用有限元軟件SAP2000 進(jìn)行橋梁支架的受力分析，根據(jù)結(jié)果布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行橋支架應(yīng)力-應(yīng)變動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

但是當(dāng)前領(lǐng)域很少研究視角集中到大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋掛籃應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控中來，所以為提高監(jiān)控精度，本文下述將開展對大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋掛籃應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控技術(shù)的研究。

1 大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋掛籃應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控

1.1 監(jiān)控點(diǎn)布設(shè)

結(jié)合大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋施工中，掛籃的對稱性以及受力特性，選取受力較大，且具有代表性的位置布設(shè)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控點(diǎn)[6]。在剛構(gòu)橋一側(cè)的主桁架片的立桿端部、上平桿、前斜桿等位置上分別布設(shè)剛弦應(yīng)變計(jì)。圖1 為大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋掛籃應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控點(diǎn)布設(shè)側(cè)視圖。

圖1 大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋掛籃應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控點(diǎn)布設(shè)側(cè)視圖

圖1 中A 表示斜拉帶，B 表示主梁，C 表示后錨，D 表示立柱，E 表示后下橫梁，F(xiàn) 表示側(cè)模。圖1 中黑色實(shí)心圓表示各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)。按照圖1 所示方式完成對大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋掛籃應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控點(diǎn)的布設(shè)可以為后續(xù)對掛籃各個(gè)位置應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)的獲取提供條件。針對各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，為了確保埋置鋼弦應(yīng)變儀的高存活率和測量準(zhǔn)確度，需要對埋入式應(yīng)變儀進(jìn)行特別的處理，并對其進(jìn)行多次檢測[7]。首先，為了避免外部電磁干擾，均采用多股銅芯屏蔽導(dǎo)線；其次，由于監(jiān)測和監(jiān)視是長期穩(wěn)定的，而且線路的長度比較大，所以對線路進(jìn)行了平行焊接，并在接頭上涂上了一層絕緣膠帶，然后用703 膠進(jìn)行了密封；再用萬用電表測量是否有斷路，并檢測導(dǎo)線和被測部件是否有短路。在使用過程中，盡量將張力測量儀調(diào)整到與縱向應(yīng)力方向一致的位置。為了避免傳感器在混凝土澆筑時(shí)發(fā)生竄動(dòng)和角度變化，采用扎絲法將傳感器牢固地綁在鋼筋上。

1.2 基于AIOT 的掛籃數(shù)據(jù)采集

在完成對各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的布置后，引入AIOT 技術(shù)，用于對各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)上的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。針對不同位置上的監(jiān)控點(diǎn)，可選擇的測定方式包括：電阻片測定、傳感器測定、主梁線型測定、纜索垂度測定等，通過多種測定方法的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對每一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)上應(yīng)力和應(yīng)變的測定[8]。針對通過各種方式采集到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)對大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋掛籃的遠(yuǎn)程監(jiān)控，利用AIOT 技術(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。將各個(gè)測定方法中獲取參數(shù)的設(shè)備與AIOT 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字采集設(shè)備連接，該設(shè)備主體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 AIOT 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字采集設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

利用圖2 所示的設(shè)備可為監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)的獲取提供條件，同時(shí)該設(shè)備具有保護(hù)數(shù)據(jù)線的優(yōu)勢，克服了目前市場上大部分?jǐn)?shù)碼采集裝置及離線存儲(chǔ)器的連接線的使用壽命較短；工作時(shí)易發(fā)生破裂、漏電等故障；造成數(shù)碼采集裝置與離線存儲(chǔ)器之間的連接中斷；嚴(yán)重地影響離線和數(shù)字采集裝置的正常使用等問題。

1.3 應(yīng)力應(yīng)變分析與監(jiān)控

在利用上述AIOT 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字采集設(shè)備獲取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)時(shí)，為確保監(jiān)控精度需要利用式（1）對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行基本運(yùn)算修正：

式中，χ表示修正后的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；k1表示AIOT 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字采集設(shè)備的數(shù)據(jù)采集系數(shù)；ΔT表示受周圍環(huán)境影響造成的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變化量；α、β表示膨脹系數(shù)；Δ1T表示掛籃本身存在的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)變化量。針對掛籃結(jié)構(gòu)而言，其應(yīng)力可直接通過應(yīng)變測量得出：

式中，ST表示在荷載作用下掛籃結(jié)構(gòu)的彈性應(yīng)力；e表示掛籃的彈性模量；et表示在荷載作用下掛籃結(jié)構(gòu)的彈性應(yīng)變。在大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋掛籃施工中，在成橋階段，結(jié)構(gòu)的受力體系會(huì)發(fā)生一系列的變化，從而形成主體結(jié)構(gòu)。這種體系的轉(zhuǎn)變必然導(dǎo)致掛籃結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和線型發(fā)生持續(xù)的改變，而且各個(gè)階段的受力狀況是互相影響，最后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和幾何線型是由一個(gè)階段一個(gè)工況一個(gè)階段累積起來的。因此，為實(shí)現(xiàn)對掛籃應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)控在獲取各項(xiàng)數(shù)據(jù)后，需要利用MIDAS/Civil 對掛籃結(jié)構(gòu)進(jìn)行正裝和倒裝的分析。在對大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋掛籃進(jìn)行施工模擬時(shí)，得到的掛籃的受力-剪力滯系數(shù)可以模擬出其水平方向的應(yīng)力分布。在此基礎(chǔ)上，對大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋掛籃的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)控。

1.4 超閾值自動(dòng)警報(bào)

在確定各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)上的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)后，根據(jù)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋掛籃施工要求，對應(yīng)力變化值和應(yīng)變變化值設(shè)置上限，并將這一上限作為閾值。通過本文監(jiān)控技術(shù)監(jiān)控后得到各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的測定結(jié)果，將其與閾值進(jìn)行對比。假設(shè)設(shè)置的應(yīng)力閾值為N，應(yīng)變閾值為E，則當(dāng)某一監(jiān)控點(diǎn)上的應(yīng)力數(shù)據(jù)大于N，則說明該監(jiān)控點(diǎn)的應(yīng)力出現(xiàn)異常，需要立即發(fā)成警報(bào)，并采取相應(yīng)的措施降低應(yīng)力。當(dāng)某一監(jiān)控點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)大于E時(shí)，則說明該測點(diǎn)的應(yīng)變出現(xiàn)異常，需要立即發(fā)出警報(bào)，并采取相應(yīng)的措施降低應(yīng)變。為更及時(shí)對出現(xiàn)異常的監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行報(bào)警，采用自動(dòng)警報(bào)的方式，并針對不同的異常情況設(shè)置自動(dòng)警報(bào)指示燈。當(dāng)應(yīng)力未超過N，且應(yīng)變未超過E時(shí)，此時(shí)自動(dòng)警報(bào)不響應(yīng)，并且指示燈為常綠狀態(tài)；當(dāng)應(yīng)力超過N，而應(yīng)變未超過E時(shí)，此時(shí)自動(dòng)報(bào)警響應(yīng)，指示燈為黃色頻閃狀態(tài)；當(dāng)應(yīng)力未超過N，而應(yīng)變超過E時(shí)，此時(shí)自動(dòng)報(bào)警響應(yīng)，指示燈為橙色頻閃狀態(tài)；當(dāng)應(yīng)力超過N，且應(yīng)變超過E時(shí)，此時(shí)自動(dòng)報(bào)警響應(yīng)，指示燈為紅色頻閃狀態(tài)[9]。以此遠(yuǎn)程監(jiān)控過程中，通過指示燈的狀態(tài)可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)某一測點(diǎn)上是否出現(xiàn)異常的應(yīng)力應(yīng)變情況，以此為后續(xù)響應(yīng)解決方案的制定提供更有利的依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

以某大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋建設(shè)項(xiàng)目為例，對其開展掛籃應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用研究。已知該工程項(xiàng)目為某橋梁新建工程，該橋梁通航主跨上半部分的結(jié)構(gòu)尺寸為124m +235m +124m，其截面形式設(shè)計(jì)為單箱單室直腹板斷面。主橋下部采用薄壁式墩身，主墩的頂板高度均符合通航報(bào)告規(guī)定，而邊墩為薄壁式。主橋采用懸臂式澆注，采用吊桿進(jìn)行澆筑，充分滿足了橋梁的結(jié)構(gòu)和使用需求，具有較高的綜合效益。圖3 為該項(xiàng)目中掛籃結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 該項(xiàng)目中掛籃結(jié)構(gòu)示意圖

針對該項(xiàng)目，在施工過程中，利用本文上述提出的監(jiān)控技術(shù)對其進(jìn)行掛籃應(yīng)力與應(yīng)變監(jiān)控。為驗(yàn)證該技術(shù)的應(yīng)用可行性，設(shè)置如下實(shí)驗(yàn)：

將監(jiān)控技術(shù)的監(jiān)控精度作為評價(jià)指標(biāo)，在上述布設(shè)的監(jiān)控點(diǎn)中，選擇6 個(gè)點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)監(jiān)控點(diǎn)，表1 中記錄了各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的編號與對應(yīng)位置。

表1 監(jiān)控點(diǎn)編號與對應(yīng)位置表

針對上述6 個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，分別從位置和應(yīng)力應(yīng)變的變化情況兩個(gè)方面對監(jiān)控精度進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對6 個(gè)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，利用本文提出的技術(shù)監(jiān)控得出其具體位置，并將其與實(shí)地測定得到的真實(shí)結(jié)果進(jìn)行對比，計(jì)算得出二者之間的誤差，將結(jié)果記錄如表2 所示。

表2 本文監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用精度記錄表

從表2 中記錄的數(shù)據(jù)可以看出，新的監(jiān)控技術(shù)在應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)對各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)位置的精確測定，以此能夠?yàn)楹罄m(xù)對掛籃應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)控提供更高的精度條件。從上述6 個(gè)監(jiān)控點(diǎn)中選擇一個(gè)，對其在施工過程中的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行監(jiān)控，將監(jiān)控結(jié)果繪制成如圖4、5 所示的曲線圖。

圖4 掛籃應(yīng)力監(jiān)控曲線圖

從圖4 可以看出，在監(jiān)控的工程中本文監(jiān)控技術(shù)得到的鍵控制與真實(shí)值之間變化趨勢一致，且相差不超過0.5Mpa，符合監(jiān)控精度要求，同時(shí)在監(jiān)控到6min 時(shí)，通過監(jiān)控技術(shù)得出該點(diǎn)的應(yīng)力出現(xiàn)了超出閾值的現(xiàn)象，在監(jiān)控到這一情況時(shí)，本文監(jiān)控技術(shù)對其進(jìn)行了及時(shí)的預(yù)警，后續(xù)也采取了相應(yīng)地降低應(yīng)力的措施，保障了施工安全和施工質(zhì)量。從圖5 監(jiān)控結(jié)構(gòu)可以看出，本文提出的監(jiān)控技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對掛籃應(yīng)變的高精度監(jiān)控，監(jiān)控值與真實(shí)值之間相差不超過0.005。因此，通過上述實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻贸?，本文提出的監(jiān)控技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)對掛籃應(yīng)力應(yīng)變的高精度監(jiān)控，為施工安全提供保障條件。

圖5 掛籃應(yīng)變監(jiān)控曲線圖

3 結(jié)論

掛籃結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定直接影響掛籃結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與使用壽命，而當(dāng)前的監(jiān)測技術(shù)多集中于橋梁本身，所以研究大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋掛籃應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)控技術(shù)。本文通過布設(shè)掛籃主體結(jié)構(gòu)監(jiān)控點(diǎn)，利用AIOT 技術(shù)采集掛籃數(shù)據(jù)，對掛籃應(yīng)力應(yīng)變分析與監(jiān)控、自動(dòng)警報(bào)。該技術(shù)能夠有效提升監(jiān)測精準(zhǔn)度，為大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋施工人員提供更有力的安全保障。