自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在橋梁施工掛籃安全防護(hù)中的應(yīng)用

凌佳韻

(西南交通大學(xué),四川 成都 614203)

1 建筑施工臨時(shí)設(shè)施安全現(xiàn)狀

基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要引擎,國(guó)內(nèi)近20年來,基礎(chǔ)建設(shè)得到蓬勃發(fā)展,規(guī)模及技術(shù)都得到國(guó)際廣泛贊譽(yù),不管是超高超限建筑、長(zhǎng)大橋隧的數(shù)量,還是高鐵、城市軌道交通的通車?yán)锍痰染盐痪邮澜缜傲小?/p>

建筑行業(yè)施工現(xiàn)場(chǎng)由于參與人員密集,空間有限且立體交叉作業(yè),施工進(jìn)度急,全天候施工等諸多特點(diǎn),使得施工安全更為重要。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球范圍發(fā)生的重大職業(yè)安全事故中,建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的傷亡事故占總傷亡事故的17%,其中和建筑施工臨時(shí)設(shè)施相關(guān)的安全事故更是占到了1/3左右,由此也可見施工臨時(shí)設(shè)施安全防護(hù)的重要性。

施工臨時(shí)設(shè)施安全事故的發(fā)生主要由于其具有以下特點(diǎn)而誘發(fā):臨時(shí)性特點(diǎn),導(dǎo)致安裝實(shí)施過程材料使用存在能省則省的心態(tài),架設(shè)組裝人員專業(yè)化程度不高;個(gè)性化差異明顯,現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)設(shè)施都是服務(wù)于某一個(gè)具體項(xiàng)目,形式千差萬別,相同形式的臨時(shí)設(shè)施在高度寬度等方面往往也會(huì)存在巨大差別;缺少系統(tǒng)監(jiān)督,缺少規(guī)律性的防范和統(tǒng)一的安全標(biāo)準(zhǔn),臨時(shí)設(shè)施一般周期性比較短,隱蔽性較強(qiáng),且為主體建筑的輔助設(shè)施,受重視程度較低,導(dǎo)致對(duì)其安全性的重視度也相對(duì)較低;區(qū)別于主體結(jié)構(gòu)安全防護(hù)的規(guī)范性,臨時(shí)設(shè)施的安全主要靠現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員,監(jiān)測(cè)手段主要靠目測(cè)或者其他單一的測(cè)量手段為主,不利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患[1-3]。

2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)概要及優(yōu)勢(shì)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是近幾年新興的一種建筑行業(yè)安全防護(hù)手段,隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、信息化的高速發(fā)展,目前該手段已經(jīng)廣泛應(yīng)用于基建行業(yè)的主體結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控中,包括建筑、橋梁、隧道以及邊坡、大壩等,自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的主要特點(diǎn)是操作去人力,防護(hù)全周期[4-8]。其實(shí)施架構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知,自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集主要是由傳感器單元完成,代替了現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員,故其不受施工時(shí)空影響,可以全天候、全周期實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的觀測(cè)及采集,同時(shí)也減少了施工過程安全人員現(xiàn)場(chǎng)的參與度,保證了人員現(xiàn)場(chǎng)參與的安全。數(shù)據(jù)傳輸及處理則由傳輸單元和監(jiān)測(cè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn),減少了人工數(shù)據(jù)記錄和統(tǒng)計(jì)中人為因素特別是經(jīng)驗(yàn)誤判的影響,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的效率也因?yàn)閿?shù)據(jù)平臺(tái)的處理得以大大提高,所以可以及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)判臨時(shí)設(shè)施的安全隱患。

3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在臨時(shí)施工安全防護(hù)中的應(yīng)用

某橋梁施工項(xiàng)目所用吊裝掛籃總重量190 t,最重吊裝節(jié)段梁寬W=41.4 m,梁高H=3.5 m,長(zhǎng)度L=10.5 m,重量378.6 t,掛籃主材為Q355鋼材,彈性模量為2.06×105,容許應(yīng)力為282 MPa,屈服應(yīng)力為355 MPa。

本項(xiàng)目由于施工現(xiàn)場(chǎng)人員密集,且澆筑時(shí)間全部在夜間完成,現(xiàn)場(chǎng)安全人員觀測(cè)受限;另外主梁節(jié)段重量從101.2 t～378.6 t,澆筑主梁重量變化區(qū)間大,增加了施工過程的安全隱患;此外施工工況復(fù)雜,澆筑過程掛籃有縱移、平移工況存在,同時(shí)還涉及倒軌及配重設(shè)置環(huán)節(jié),現(xiàn)場(chǎng)驟時(shí)風(fēng)力較大等情況。故現(xiàn)場(chǎng)管理人員研究后決定采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段,對(duì)掛籃各個(gè)工況的受力及變形進(jìn)行全天候施工過程監(jiān)控。

本項(xiàng)目采用知物云監(jiān)測(cè)平臺(tái),系統(tǒng)在本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)過程中,考慮性價(jià)比及監(jiān)測(cè)目的,監(jiān)測(cè)因素選取溫應(yīng)變、撓度兩種主要監(jiān)測(cè)因素,整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由16支應(yīng)變傳感器、6支靜力水準(zhǔn)儀傳感器、2組數(shù)據(jù)采集模塊、4支數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。對(duì)掛籃的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行全程安全監(jiān)控。傳感器主要布置位置為:底籃前橫梁各吊帶處;前承重桁架懸臂端、豎腹桿處;后錨固橫梁處三處主要受力部位。監(jiān)控過程中除了實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集外,平臺(tái)同步開啟了數(shù)據(jù)對(duì)比分析、告警信息推送等功能,因施工不規(guī)范或突發(fā)狀況引起數(shù)據(jù)變化,自動(dòng)化監(jiān)測(cè)可第一時(shí)間發(fā)出預(yù)警,并且通知到管理人員,可保證現(xiàn)場(chǎng)第一時(shí)間采取安全防護(hù)措施。

3.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的對(duì)比

按照經(jīng)驗(yàn),結(jié)構(gòu)最不利受力狀態(tài)多為工作狀態(tài)及澆筑狀態(tài),故測(cè)點(diǎn)選取掛籃結(jié)構(gòu)前端主桁及中部豎向支撐主桁測(cè)點(diǎn),工況選取吊裝工況,兩個(gè)點(diǎn)位在該工況下應(yīng)力及撓度的監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)如圖2所示。

由應(yīng)變的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出,應(yīng)力較大發(fā)生在晚上吊裝時(shí)段,白天相對(duì)較小,符合實(shí)際施工情況。此處應(yīng)變單位為10-6,可知兩個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力:

σ1=ε×E=460×10-6×2.06×105=94.8 MPa。

σ2=ε×E=400×10-6×2.06×105=82.4 MPa。

由撓度監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,吊裝主桁位移大于支撐主桁,二者變化趨勢(shì)大致同步,符合實(shí)際施工情況,實(shí)測(cè)最大豎向位移17.1 cm,滿足規(guī)范不大于20 cm的要求。

為了判斷監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性,按照對(duì)應(yīng)工況,同步對(duì)掛籃結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論計(jì)算分析,建立的掛籃有限元模型如圖3所示。

為充分模擬計(jì)算掛籃的受力狀態(tài),理論計(jì)算全面考慮掛籃整個(gè)過程的施工工況:

1)澆筑狀態(tài)(考慮不同節(jié)段,同時(shí)考慮施工荷載、振搗荷載、模具荷載);2)走行狀態(tài);3)配重狀態(tài);4)導(dǎo)軌狀態(tài);5)非工作抗風(fēng)狀態(tài)共五種工況,得到的最大剛度及強(qiáng)度結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知,吊機(jī)豎向理論位移最大值為18.2 cm。理論最大拉應(yīng)力為100.7 MPa,最大壓應(yīng)力為77.3 MPa。

實(shí)測(cè)結(jié)果及理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 實(shí)測(cè)與理論結(jié)果對(duì)比表

從上述監(jiān)測(cè)結(jié)果及理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知,掛籃結(jié)構(gòu)最不利狀態(tài)發(fā)生在吊裝工況。

實(shí)測(cè)及理論結(jié)果也均滿足規(guī)范要求,對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的實(shí)測(cè)結(jié)果小于理論計(jì)算結(jié)果,存在偏差的原因是因?yàn)槔碚撚?jì)算結(jié)果荷載取值、計(jì)算系數(shù)取值較保守的原因?qū)е?兩者吻合范圍為4.17%～6.15%,吻合度較高,均說明了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在該類臨時(shí)設(shè)施防護(hù)中的可行性和可靠性。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是全天候監(jiān)測(cè),為線性數(shù)據(jù),區(qū)別于現(xiàn)場(chǎng)人員觀測(cè)的點(diǎn)狀數(shù)據(jù),可保證全過程的安全監(jiān)測(cè)無遺漏,所測(cè)結(jié)果涵蓋所有施工工況,可以得到整個(gè)施工過程的最不利包絡(luò)結(jié)果,同時(shí)線性數(shù)據(jù)可以對(duì)發(fā)展趨勢(shì)做出研判,使安全事故防患于未然。

3.2 掛籃非彈性位移監(jiān)測(cè)分析

大型橋梁施工過程,線形控制至關(guān)重要,成橋后的線形與設(shè)計(jì)成橋線形要滿足一定誤差要求。影響成橋線形的因素諸多,結(jié)構(gòu)自身的因素包括自重、預(yù)應(yīng)力控制以及結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)化等,材料方面有混凝土的齡期、收縮徐變、溫度變化等,施工過程引起的線形誤差則主要因?yàn)槟＜艿膭偠茸兓簿褪欠菑椥宰冃我?若非彈性變形過大,對(duì)下一施工階段支模、澆筑等會(huì)造成較大影響,成橋線形也會(huì)和設(shè)計(jì)線形存在偏差,所以本項(xiàng)目同步對(duì)掛籃的非彈性變形監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析研究。

本項(xiàng)目的非彈性變形是指掛籃各個(gè)節(jié)段加載卸載完成后,掛籃自身的擾度變化,本項(xiàng)目中考慮0號(hào)塊到12號(hào)塊節(jié)段澆筑共13個(gè)工況,選取掛籃施工澆筑前及卸載后分別進(jìn)行觀測(cè),得到的結(jié)果如圖5所示。

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,掛籃在13個(gè)工況中,加載的變化和理論計(jì)算吻合,卸載后回彈理想,殘余位移最大為0.01 mm且沒有變大趨勢(shì),此處主要考慮采集誤差引起,所以非彈性變形可忽略,可認(rèn)為掛籃結(jié)構(gòu)在整個(gè)施工過程中的變形均為彈性變形,成橋線性不會(huì)受到掛籃剛度變化影響。

4 結(jié)論及建議

對(duì)施工臨時(shí)設(shè)施的自動(dòng)化監(jiān)測(cè),通過本文可得如下結(jié)論:

1)去人力:自動(dòng)化監(jiān)測(cè)有效減少了人為參與,可以保證復(fù)雜施工現(xiàn)場(chǎng)人員的安全,有效減少人員經(jīng)驗(yàn)及觀測(cè)誤差,同時(shí)擺脫了時(shí)空限制,不受惡劣環(huán)境以及施工時(shí)間的約束。

2)全天候:自動(dòng)化監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)全天候、全生命周期的檢測(cè),保證了數(shù)據(jù)的線性采集,較人工點(diǎn)式采集,預(yù)防突發(fā)性狀況有更大的保障,通過對(duì)數(shù)據(jù)線性趨勢(shì)的研判,也可以做到安全事故的提前預(yù)防。

3)數(shù)據(jù)飽滿:全周期數(shù)據(jù)最為寶貴的現(xiàn)場(chǎng)第一手資料,可以對(duì)同類施工安全監(jiān)測(cè)提供借鑒,也可對(duì)施工過程優(yōu)化提供幫助。

4)性價(jià)比高:監(jiān)測(cè)過程考慮主要控制因素,布點(diǎn)位置也按照最不利構(gòu)件考慮,所以相對(duì)人工觀測(cè),本項(xiàng)目性價(jià)比較高。

由于施工臨時(shí)設(shè)施種類繁多,架設(shè)及施工因人因項(xiàng)目而異,短期依然難以現(xiàn)成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,雖然其優(yōu)勢(shì)明顯,但要達(dá)到廣泛采用及使用還存在諸多的掣肘,例如對(duì)施工臨時(shí)設(shè)施的監(jiān)測(cè)優(yōu)化及標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一,還需更多的實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證及實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)支撐;此外對(duì)監(jiān)測(cè)合理性的判斷,目前采用較多的也是和理論極值數(shù)據(jù)的對(duì)比,對(duì)所采集的海量數(shù)據(jù)而言,利用度偏低,對(duì)趨勢(shì)研判及施工方法優(yōu)化等方面還需要進(jìn)一步的研究。