差異工況下滿堂支架關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)及預(yù)警系統(tǒng)

劉圣潔,趙之仲*,陳旭,隋明言,趙瑜隆

1.山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250357;2.山東高速建設(shè)管理集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250098

0 引言

模板支架是橋梁工程中承受施工動(dòng)靜荷載的重要臨時(shí)設(shè)施,支架坍塌導(dǎo)致的安全事故常常造成較多人員傷亡及重大經(jīng)濟(jì)損失[1]。改進(jìn)支架結(jié)構(gòu)可提高支架的穩(wěn)定性,但影響支架穩(wěn)定性的因素較多,支架穩(wěn)定性并不單單由材料結(jié)構(gòu)自身決定,動(dòng)靜荷載均對(duì)支架的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響[2]。丁峰等[3]根據(jù)位移相等原則測(cè)試支架測(cè)點(diǎn)處懸掛重錘的位移,減小風(fēng)力對(duì)支架的影響,對(duì)風(fēng)力引起的支架水平位移進(jìn)行修正,簡(jiǎn)便實(shí)現(xiàn)高空支架位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);韓國(guó)祥[4]通過有限元分析及數(shù)字圖像相關(guān)法技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支架危險(xiǎn)截面的應(yīng)力,設(shè)計(jì)完整、有效的支架施工質(zhì)量和施工安全監(jiān)控方案;田帥帥等[5]采用鋼弦式應(yīng)變計(jì)測(cè)試支架應(yīng)力,實(shí)時(shí)監(jiān)控支架變形和應(yīng)力,確保橋梁結(jié)構(gòu)的施工安全;王佳峰[6]采用三維激光掃描技術(shù)監(jiān)測(cè)現(xiàn)澆橋梁支架變形,提出基于三維激光掃描技術(shù)的腳手架安全監(jiān)控系統(tǒng);Tang等[7]開發(fā)監(jiān)測(cè)技術(shù)及平臺(tái),提高支架結(jié)構(gòu)的安全性。

傳感器決定監(jiān)測(cè)技術(shù)的時(shí)效優(yōu)越性[8]。房濤等[9]發(fā)明非接觸式超聲測(cè)距傳感器,監(jiān)測(cè)橋梁施工過程中滿堂支架的相對(duì)沉降,及時(shí)提供監(jiān)測(cè)結(jié)果,提高現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控的有效性;何存富等[10]采用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)可重復(fù)使用的套筒式力傳感器和傾角傳感器,在線監(jiān)測(cè)滿堂支架。大部分傳感器的監(jiān)測(cè)指標(biāo)是荷載應(yīng)力和位移變形[11],監(jiān)測(cè)方式布點(diǎn)少、采集頻率低;應(yīng)變計(jì)和靜力水準(zhǔn)計(jì)價(jià)格昂貴,無法實(shí)現(xiàn)遍布式監(jiān)測(cè)效果,且不能重復(fù)利用。

本文研究支架變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警技術(shù),采用可重復(fù)使用的9軸姿態(tài)角度傳感器,設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方法和監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系,分析支架變形過程中的關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)與鋼管角度變形規(guī)律間的關(guān)系,明確角度預(yù)警閾值,以期為后續(xù)支架的施工監(jiān)測(cè)提供理論支撐與經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。

1 支架破壞形式分析

承插型滿堂盤扣支架具有承載能力高、搭設(shè)速度快、壽命較長(zhǎng)、周轉(zhuǎn)次數(shù)較多、利用率較高等優(yōu)點(diǎn)[12],但仍存在鋼管的材料不符合規(guī)定、鋼管的直徑與壁厚有初始缺陷及鋼管在周轉(zhuǎn)達(dá)到一定次數(shù)后出現(xiàn)彎曲等缺點(diǎn),影響支架的安全穩(wěn)定性[13-15]。因此,以支架支撐單元為基礎(chǔ),通過破壞形式分析支架穩(wěn)定性的影響因素。

盤扣式鋼管支架連接點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示,支撐單元如圖2所示。主節(jié)點(diǎn)是指立桿、縱向水平桿和橫向水平桿交接處的扣結(jié)點(diǎn),主要由插銷、扣接頭與連接盤組成,三者機(jī)械連接后鎖止;掃地桿是指貼近地面,連接立桿根部的水平桿[16]。

圖1 盤式鋼管支架連接點(diǎn)結(jié)構(gòu) 圖2 盤扣式鋼管支架支撐單元

承插型滿堂盤扣支架的破壞形式可分為正常使用極限破壞和承載能力極限狀態(tài)破壞2種。正常使用極限狀態(tài)中的破壞形式主要包括影響正常使用或外觀的變形、影響結(jié)構(gòu)正常使用的振動(dòng)、影響耐久性的局部損壞或影響正常使用的其他狀態(tài)[17]。承載能力極限狀態(tài)的破壞形式主要包括整體結(jié)構(gòu)或局部作為剛體或半剛體傾覆、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換、地基承載力喪失,由連接件或連接點(diǎn)問題引發(fā)的超過材料抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度而破壞,或過度變形破壞、大荷載或偏載導(dǎo)致的壓屈等問題。

這些破壞形式往往與支架局部失穩(wěn)有關(guān),局部失穩(wěn)不一定導(dǎo)致模板立即坍塌,但隨施工進(jìn)程推進(jìn),不同工況下面臨隨時(shí)出現(xiàn)整體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)[18]。因此,局部失穩(wěn)的研究?jī)?yōu)先級(jí)高于整體失穩(wěn),需先研究支架局部變形規(guī)律。

2 角度傳感器

圖3 9軸姿態(tài)角度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

采用體積較小、安拆簡(jiǎn)便的9軸姿態(tài)角度傳感器,模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。模塊集成高精度的陀螺儀、加速度計(jì)和地磁場(chǎng)傳感器,采用計(jì)算性能較高的微處理器,運(yùn)用動(dòng)力學(xué)解算與卡爾曼動(dòng)態(tài)濾波算法計(jì)算傳感器瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)[19],實(shí)現(xiàn)加速度、角速度、磁場(chǎng)、角度三維測(cè)量;配有全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)接口,連接后可測(cè)量地理位置和地速,穩(wěn)定性較高。

傳感器安裝與數(shù)據(jù)采集如圖4所示。通過 USB 轉(zhuǎn)串口模塊連接電腦,打開上位機(jī),安裝串口模塊對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)CP210X后,與傳感器內(nèi)部安裝的信號(hào)傳輸模塊相連,傳感器的最高數(shù)據(jù)輸出頻率為200 Hz,可任意選擇輸入內(nèi)容,通過信號(hào)模塊將施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳至后臺(tái)電腦云端。

根據(jù)承插型滿堂盤扣支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可將連接點(diǎn)視為1個(gè)單元,將所連桿件視為其他單元,在插銷后側(cè)放置陀螺儀,固定在連接盤與所連桿件交界處,精準(zhǔn)測(cè)量測(cè)點(diǎn)角度在x、y、z方向上的變動(dòng)。分析不同施工工況下的角度變化,并與角度變化閾值對(duì)比,實(shí)現(xiàn)局部失穩(wěn)狀態(tài)的判斷和預(yù)警。

圖4 傳感器安裝與數(shù)據(jù)采集

3 有限元分析

3.1 模型建立與荷載計(jì)算

3.1.1 幾何模型

依托某工程實(shí)例,在混凝土連續(xù)現(xiàn)澆梁中,某梁段縱向長(zhǎng)度L=18 m,采用承插型滿堂盤扣支架結(jié)構(gòu),支架橫向間隔0.6 m,16段間隔,總長(zhǎng)9.6 m;縱向間隔1.5 m,12段間隔,總長(zhǎng)18.0 m;豎向間隔1.5 m,4段間隔,總長(zhǎng)6.0 m。

圖5 滿堂盤扣支架計(jì)算模型

采用軟件Midas Civil建模,構(gòu)件為方木,橫向方木梁?jiǎn)卧孛鏋榫匦?150 mm×50 mm;縱向方木梁?jiǎn)卧孛鏋榫匦?100 mm×120 mm。A3鋼管,豎直鋼管管型為Φ60 mm×3.2 mm,水平鋼管管型為Φ48 mm×3.2 mm,斜撐鋼管管型為Φ48 mm×3.2 mm。底模采用木材竹膠板,厚15.0 mm。定義方木的彈性模量為17 kPa,泊松比為0.4,密度為520.1 kg/m3;最底層掃地桿離地0.2 m,最高層水平桿距支架模型頂面0.2 m,構(gòu)建計(jì)算模型如圖5所示。

3.1.2 邊界條件

從外部約束角度考慮,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)荷載時(shí),立桿底部與地基連接,抗彎性能差,無彎矩約束,底部節(jié)點(diǎn)為鉸接,選擇底部節(jié)點(diǎn)為一般支撐。

從內(nèi)部約束角度考慮,分析節(jié)點(diǎn)間力的傳遞,將上層方木與鋼管間、方木與方木間、方木與底模板間看作各節(jié)點(diǎn)間有水平摩擦力與豎向支撐的連續(xù)梁,各節(jié)點(diǎn)間為彈性連接。

從釋放梁端約束角度考慮,盤扣式結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為20 kN·m/rad[20]。

3.1.3 荷載布置

橋梁橫截面如圖6所示,模板橫向長(zhǎng)9.6 m,兩端各空余0.3 m;在施加荷載及荷載計(jì)算時(shí),坐標(biāo)設(shè)定對(duì)兩端0.3 m的范圍留余。

單位:cm。圖6 橋梁橫截面示意圖

鋼筋混凝土密度為2 600 kg/m3,人工機(jī)具荷載及振搗、澆筑混凝土荷載均為2.50 kPa,標(biāo)準(zhǔn)水平荷載為2%的標(biāo)準(zhǔn)垂直永久荷載,以線荷載的形式作用在架體頂部,風(fēng)荷載為0.26 kPa。

計(jì)算正常使用極限狀態(tài)時(shí),按剛度荷載組合計(jì)算,永久荷載與可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)均為1.0;計(jì)算承載能力極限狀態(tài)時(shí),按強(qiáng)度荷載組合計(jì)算,永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)為1.3,可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)為1.5。

3.2 關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)角度閾值

3.2.1 測(cè)點(diǎn)布置及變形

為分析支架在不同施工階段的角度變化,在模型縱向方向的初始跨徑、1/4L跨徑、1/2L跨徑、3/4L跨徑、L跨徑處設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面,如圖7所示,斷面編號(hào)分別為T0、T1、T2、T3、T4。以斷面T0為例,在模型整體坐標(biāo)中,定義梁段縱橋向方向?yàn)閤軸,梁段橫截面方向?yàn)閥軸,監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿y軸向外側(cè)延伸,豎直方向?yàn)閦軸,監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖8所示,監(jiān)測(cè)點(diǎn)依次為T01、T02、T03、T04、T05,在圖8中以綠色三角形表示,其余斷面照此方式排序。選取測(cè)點(diǎn)后,分析支架結(jié)構(gòu)在x、y、z方向的變形狀況,如圖9所示。

單位:cm。 圖7 監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)示意圖 圖8 斷面T0監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

a)x方向 b)y方向 c) z方向圖9 支架結(jié)構(gòu)變形云圖

根據(jù)不同工況的有限元計(jì)算結(jié)果,由圖9可知:支架的最大變形出現(xiàn)在跨中部位。x方向上,支架結(jié)構(gòu)在T0、T4斷面處變化較明顯;y方向的最大變形位于T01-T41、T05-T45斷面處,二者變化相同;z方向的最大變形位于結(jié)構(gòu)底板中間,即T03-T43斷面。

3.2.2 正常使用極限狀態(tài)下的角度閾值

計(jì)算測(cè)點(diǎn)角度閾值時(shí),同時(shí)考慮預(yù)壓荷載卸除及預(yù)應(yīng)力筋張拉過程中支架結(jié)構(gòu)的變化。施工節(jié)點(diǎn)分別為預(yù)壓加載前(A)、預(yù)壓荷載加至滿荷載的60%(B)、預(yù)壓荷載加至滿荷載的80%(C)、預(yù)壓荷載加至滿荷載的110%(D)、第1次澆筑完成(E)、第2次澆筑完成(F)、預(yù)應(yīng)力筋張拉結(jié)束(G)。根據(jù)工程實(shí)際情況,設(shè)定完成第1次澆筑時(shí)混凝土的澆筑量占整體澆筑量的48.68%。

根據(jù)有限元模擬獲取的關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)信息及靜力結(jié)果分析,應(yīng)力分布以橫、縱橋向中心線為對(duì)稱軸,因此,分析不同變形方向的角度閾值時(shí),僅需分析對(duì)稱軸任意一側(cè)的前3點(diǎn)。最大變形的角度閾值滿足安全要求時(shí),其余支架節(jié)點(diǎn)均滿足安全要求。計(jì)算各工況下關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的角度閾值,結(jié)果如圖10所示。

a)x方向 b)y方向 c) z方向圖10 各工況下關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的角度閾值

為方便統(tǒng)計(jì),不考慮角度變化量的正負(fù),只計(jì)算角度變化量的絕對(duì)值。由圖10可知:在x方向上,以T2斷面為對(duì)稱軸,T2斷面幾乎不發(fā)生x方向變化,角度閾值始終保持0°,T03、T43相對(duì)稱,跨中縱向兩端測(cè)點(diǎn)T03、T43的荷載響應(yīng)較好,角度閾值隨荷載的增大而增大,預(yù)壓荷載達(dá)到110%時(shí),最大角度閾值為0.022 2°;在y方向上,最大角度閾值與最大位移變化處均位于結(jié)構(gòu)跨中兩端對(duì)稱處,且處在縱向中心線上,測(cè)點(diǎn)T21、T25可作為y方向的關(guān)鍵測(cè)點(diǎn),在第1次澆筑完成時(shí),最小角度閾值為0.006 5°;在z方向上,各測(cè)點(diǎn)角度閾值的變化規(guī)律相同,但在結(jié)構(gòu)橫、縱向中心交接處,測(cè)點(diǎn)T23的角度閾值最大,以T23為中點(diǎn),橫、縱中心線上各測(cè)點(diǎn)在z方向的角度閾值遞減。由圖10計(jì)算的各工況角度閾值可配合關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)直接應(yīng)用在工程實(shí)際施工中。

3.2.3 承載能力極限狀態(tài)下的角度閾值

在地基承載力滿足要求的條件下,采用強(qiáng)度荷載組合對(duì)滿堂盤扣支架模型進(jìn)行荷載計(jì)算,與正常使用極限狀態(tài)的計(jì)算方法相同,直接添加強(qiáng)度荷載組合,無需添加不同工況。強(qiáng)度荷載組合下,各測(cè)點(diǎn)在預(yù)壓工況、澆筑工況下的角度閾值如圖11、12所示。

a)x方向 b)y方向 c) z方向圖11 強(qiáng)度荷載組合、預(yù)壓工況下各斷面角度閾值

a)x方向 b)y方向 c) z方向圖12 強(qiáng)度荷載組合、澆筑工況下各斷面角度閾值

在承載能力極限狀態(tài)下,角度閾值仍以T2為中心軸對(duì)稱分布,因此只分析斷面T0、T1、T2。由圖11、12可知:2種工況下,x、y、z3個(gè)方向上的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律分別相同,角度閾值差別較小;與正常使用極限狀態(tài)相比,承載能力極限狀態(tài)下的角度閾值仍與關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng),x方向上的最大角度閾值比正常使用極限狀態(tài)減小約50%,原因是支架達(dá)到新的力學(xué)平衡后,應(yīng)力重新分布,極限荷載的作用下支架邊緣需較小的角度閾值即可保證支架的安全性能;在y方向上,通過應(yīng)力疏散提升了支架邊緣測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定性,角度閾值增大約6%;z方向上,測(cè)點(diǎn)T23位于支架中心,力學(xué)穩(wěn)定性及應(yīng)力傳導(dǎo)性較強(qiáng),角度閾值比正常使用極限狀態(tài)增大約24%。

3.2.4 單點(diǎn)地基承載力不足時(shí)的角度閾值

圖13 結(jié)構(gòu)底部節(jié)點(diǎn)最大地基承載力

根據(jù)橋梁與支架的受力情況和底桿所受的支撐反力可知,最大地基承載力位于橋梁中間部分底部平面的4個(gè)頂角支撐桿上,如圖13所示。在支架滿荷載工況下,以1 mm為單位變形量對(duì)這4點(diǎn)施加節(jié)點(diǎn)強(qiáng)制位移,只對(duì)部分支架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,頂托沉降由1.078 mm增至1.260 mm。對(duì)截面T2上的測(cè)點(diǎn)T23產(chǎn)生影響,T23為z方向的關(guān)鍵測(cè)點(diǎn),B～G工況下T23在z方向的角度閾值分別為0.017 7°、0.023 9°、0.081 7°、0.029 1°、0.029 4°。測(cè)點(diǎn)T23在z方向的角度閾值比正常使用極限狀態(tài)略大,比承載能力極限狀態(tài)小,符合支架實(shí)際施工過程中的角度變化規(guī)律。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

依托某公路橋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際橋梁一致,采用縱、橫雙拼方木-承插型滿堂盤扣支架系統(tǒng)。搭設(shè)支架時(shí),同步布設(shè)9軸姿態(tài)角度傳感器并試運(yùn)行,確保正常收發(fā)信號(hào),同時(shí)排除故障元件,并及時(shí)更換,監(jiān)測(cè)關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的角度變化。

關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)在x、y、z3個(gè)方向上的角度變化如圖14所示。由圖14可知:有限元角度模擬數(shù)值與監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合,證明了承插型滿堂盤扣支架結(jié)構(gòu)在預(yù)壓及澆筑過程中安全可控;測(cè)點(diǎn)角度變化均未超過角度閾值,可采用角度指標(biāo)監(jiān)測(cè)工程安全。

a)x方向 b)y方向 c) z方向圖14 關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)在x、y、z 3個(gè)方向上的角度變化

5 結(jié)論

1)對(duì)承插型滿堂盤扣支架進(jìn)行理論研究和數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)支架的最大變形出現(xiàn)在跨中部位;x方向以縱向兩端對(duì)稱側(cè)變化最明顯;y方向的最大變形位于結(jié)構(gòu)橫向兩端對(duì)稱處,且二者變化相同;z方向的最大變形位于結(jié)構(gòu)底板中間部位,變化最明顯。

2)正常使用極限狀態(tài)下,角度閾值隨荷載的增大而增大。x方向上,以跨中斷面為對(duì)稱軸,跨中橫向兩端測(cè)點(diǎn)的荷載響應(yīng)較好,預(yù)壓荷載達(dá)到110%時(shí),最大角度閾值為0.022 2°;y方向上,最大角度變形位于結(jié)構(gòu)跨中兩端對(duì)稱處,且在縱向中心線上,跨中邊緣測(cè)點(diǎn)可作為y方向的關(guān)鍵測(cè)點(diǎn),在第1次澆筑完成時(shí),最小角度閾值為0.006 5°;z方向上,在結(jié)構(gòu)橫縱中心交接處測(cè)點(diǎn)的角度閾值最大,在橫縱中心線上各測(cè)點(diǎn)z向角度閾值遞減。

3)承載能力極限狀態(tài)下,角度閾值仍以跨中為中心軸對(duì)稱分布,并與關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng),x方向上最大角度閾值比正常使用極限狀態(tài)減小50%;在y方向上,支架邊緣測(cè)點(diǎn)通過應(yīng)力疏散提升了測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定性,角度閾值增大6%;z方向上,位于支架橫縱中心交接處測(cè)點(diǎn)的力學(xué)穩(wěn)定性及應(yīng)力傳導(dǎo)性較強(qiáng),角度閾值比正常使用極限狀態(tài)增大24%。

4)采用9軸姿態(tài)角度傳感器進(jìn)行橋梁原位試驗(yàn)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合,模擬數(shù)據(jù)可靠,角度閾值作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)具有一定的實(shí)用性,為后續(xù)支架監(jiān)測(cè)工程提供理論支撐與經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。