大跨度鋼箱梁頂推過程的精細(xì)化智能監(jiān)控技術(shù)

林清清，張曉輝

（1.中國交通建設(shè)股份有限公司長三角區(qū)域總部，江蘇南京 211800；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032）

引言

大跨度鋼箱梁頂推是一個(gè)復(fù)雜的過程[1-3]，也是一個(gè)動態(tài)的過程，由于橋梁尺寸大，約束點(diǎn)較多，施工過程結(jié)構(gòu)變形復(fù)雜，且屬于超靜定結(jié)構(gòu)，因此其狀態(tài)不能依靠橋梁上某個(gè)點(diǎn)的某個(gè)參數(shù)簡單地反映，而是要通過分布在橋梁上各個(gè)重要部位、各個(gè)不同參數(shù)綜合分析才能得到[4-6]。

傳統(tǒng)的鋼箱梁頂推過程監(jiān)控，主要是依靠人工定期測量，不但耗費(fèi)人力多，而且不能做到實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測不及時(shí)就可能導(dǎo)致事故的發(fā)生。目前已有學(xué)者開始研究應(yīng)用GPS 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程信息化監(jiān)控[7-10]，但是對于頂推過程中應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測的研究還較少。本文將無線監(jiān)測傳感器結(jié)合智能化分析軟件，應(yīng)用于跨連霍高速主線橋鋼箱梁頂推施工過程中，通過對鋼箱梁頂推過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測分析，實(shí)現(xiàn)了鋼箱梁頂推的全過程精細(xì)化、智能化監(jiān)控。

1 依托工程概況

京滬高速公路改擴(kuò)建工程跨連霍高速公路主線橋采用既有橋梁拆除重建的擴(kuò)建方案，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁、鋼箱梁（第五聯(lián)），全橋共7 聯(lián)，跨徑組成為：4×25+4×25+5×25+5×25+（40+40+40+25.685）+3×25+3×25 m。鋼箱梁結(jié)構(gòu)安裝高度較高，自重較大，且跨過既有線路。若采用常規(guī)的高空原位拼裝方法進(jìn)行安裝，則需要搭設(shè)大量的臨時(shí)支架，施工難度大且不利于交通，對整個(gè)工程的施工工期會有很大的影響。因此，工程現(xiàn)場采用小分段吊裝至邊跨高支架后采用頂推的方法進(jìn)行施工。

步履式頂推法施工是指分階段或整體預(yù)制梁體，安裝導(dǎo)梁，將導(dǎo)梁和預(yù)制梁體連接形成一個(gè)整體，采用“頂”、“推”兩個(gè)步驟交替進(jìn)行，將梁體向前頂進(jìn)，直至橋梁頂推至預(yù)定位置。

施工流程大致為：啟動液壓泵將構(gòu)件頂起——頂升油缸截止，頂推油缸向前頂推一個(gè)流程——頂推油缸停截止，頂升油缸縮缸構(gòu)件落在臨時(shí)支架上——頂推油缸縮缸；重復(fù)以上四步直至將構(gòu)件頂推至安裝位置。

圖1 主線鋼箱梁橫斷面示意圖

2 大跨度鋼箱梁頂推精細(xì)化智能監(jiān)控

2.1 監(jiān)控內(nèi)容

施工監(jiān)控的目的是確保橋梁結(jié)構(gòu)頂推施工過程中安全和成橋線性符合設(shè)計(jì)要求。對于連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，其成橋的結(jié)構(gòu)幾何線形和結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力與施工方法有著密切的關(guān)系，不同的施工方法、施工工序都會導(dǎo)致不同的結(jié)構(gòu)線形和內(nèi)力。施工頂推過程中支墩反力變化直接影響到支撐區(qū)局部受力，縱向及橫向的不同步頂推會加劇此影響。

施工監(jiān)控是施工質(zhì)量控制體系的重要組成部分，是確保橋梁建設(shè)質(zhì)量的重要手段之一。為使橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中始終處于受控狀態(tài)，本工程監(jiān)控主要工作內(nèi)容為：根據(jù)頂推施工方案，實(shí)際現(xiàn)場獲取數(shù)據(jù)，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)理論分析和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算；通過采集各類施工過程中的實(shí)測參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)頂推狀態(tài)分析，并且通過實(shí)時(shí)在線顯示等手段對頂推控制進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)鋼箱梁頂推過程的精細(xì)化、智能化監(jiān)控。

2.2 有限元計(jì)算

本橋與既有連霍高速斜交，20#墩支座斜向布置且頂推過程跨線臨時(shí)支墩頂均斜向布置，常規(guī)的梁單元模擬精度已不能滿足本橋施工監(jiān)控的要求，因此需要采用更為細(xì)致的單元來模擬分析。本橋建模計(jì)算分析時(shí)，鋼箱主梁采用精細(xì)化板單元，導(dǎo)梁采用梁單元，全橋共有階段73 443 個(gè)，單元60 698個(gè)，如圖2 所示。

圖2 橋梁計(jì)算模型

2.3 精細(xì)化智能監(jiān)控方案

鋼箱梁頂推過程是一個(gè)持續(xù)的施工過程，因此數(shù)據(jù)采集也應(yīng)該盡量做到“連續(xù)數(shù)據(jù)采集”。本工程頂推過程中采用電阻式應(yīng)變計(jì)開展應(yīng)力數(shù)據(jù)連續(xù)采集，各類傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過無線的方式匯聚到采集卡進(jìn)行預(yù)處理，多個(gè)數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)匯聚后再通過無線的方式傳輸?shù)皆诰€監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析處理，遠(yuǎn)程訪問設(shè)備通過無線的方式對在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行訪問，可以不受區(qū)域限制的獲取到橋梁的健康狀況。

為確保頂推過程安全，本工程鋼箱梁頂推過程監(jiān)控共設(shè)置八個(gè)截面，分別為A-A 截面、B-B 截面、C-C 截面、D-D 截面，E-E 截面、F-F 截面、G-G 截面、H-H 截面，如圖3 所示，其中B-B 截面與鋼箱呈56°夾角。

圖3 主梁應(yīng)力測點(diǎn)布置圖

3 監(jiān)控結(jié)果分析

3.1 線型分析

施工監(jiān)控的主要目的之一是確保橋梁結(jié)構(gòu)的成橋線形符合設(shè)計(jì)要求。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測線形與理論線形對比發(fā)現(xiàn)，拼裝頂推工程中理論和現(xiàn)場實(shí)測線形如圖4～ 6 所示，圖中線形為相對線形。從圖中可以看出，在施工過程中，A 節(jié)段拼裝階段線性誤差最大為10 mm 左右，AB 節(jié)段拼裝階段線性誤差最大為7 mm 左右，ABC 節(jié)段拼裝線形誤差最大為10 mm，由此可以看出整體誤差均較小。

圖4 A 節(jié)段拼裝線性

圖5 AB 節(jié)段拼裝線性

圖6 ABC 節(jié)段拼裝線性

在成橋階段，將理論撓度與絕對標(biāo)高相加得到理論計(jì)算的橋面標(biāo)高。理論橋面標(biāo)高與實(shí)測標(biāo)高如圖7 所示。從圖中可以看出，最終成橋時(shí)橋面板的標(biāo)高預(yù)理論標(biāo)高的相對誤差最大為10 mm。

圖7 成橋時(shí)橋面標(biāo)高

由此可以發(fā)現(xiàn)，在頂推施工的過程中全橋線形控制較好，同時(shí)也間接反映其內(nèi)力滿足設(shè)計(jì)要求；本理論模型計(jì)算誤差較小，可用于應(yīng)力分析。

3.2 傳感器選擇

鋼箱梁頂推監(jiān)測過程中，采用DH5971 在線監(jiān)測系統(tǒng)，用無線AP 進(jìn)行信號增強(qiáng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。現(xiàn)場同時(shí)采用兩種應(yīng)變計(jì)進(jìn)行對比分析：DH1205K電阻式全橋應(yīng)變計(jì)和DH1205電阻式全橋應(yīng)變計(jì)。現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)：DH1205K 傳感器的監(jiān)測效果更好，這主要是因?yàn)閮煞N傳感器的材質(zhì)不同，DH1205K 為鋼材質(zhì)，DH1205為鋁材質(zhì)，與鋁材相比，鋼材受溫度影響更小、膨脹系數(shù)更小、靈敏度也更高，因此DH1205K 傳感器更適合用于鋼箱梁頂推過程中應(yīng)力數(shù)據(jù)的采集。

3.3 應(yīng)力結(jié)果分析

通過現(xiàn)場監(jiān)測和及時(shí)的調(diào)整，最終各個(gè)工況下應(yīng)力監(jiān)測值與理論計(jì)算值都有較好的符合。圖8 給出了A 節(jié)段、AB 節(jié)段和ABC 節(jié)段三個(gè)工況下應(yīng)力理論值與實(shí)測值的比較，其中控制工況使用序號進(jìn)行表示，各序號表示工況如表1 所示。

表1 各節(jié)段拼裝過程控制工況

圖8 不同工況下應(yīng)力監(jiān)測值與理論計(jì)算值的對比分析

從圖中可以看出A節(jié)段頂推時(shí)頂起工況時(shí)，AB節(jié)段頂推時(shí)整體頂起與E-F 工況，以及ABC 節(jié)段頂推時(shí)整體頂起與A 臨時(shí)墩脫空的工況應(yīng)力均會增大，而在上臨時(shí)墩的工況時(shí)出現(xiàn)負(fù)彎矩，應(yīng)力減小，在這些工況時(shí)應(yīng)特別關(guān)注。

對比所有應(yīng)力的實(shí)測值與理論值，在不同工況下，實(shí)際監(jiān)測值與理論計(jì)算值均較為接近，且兩者偏差較小，說明使用該智能控制技術(shù)的本次鋼箱梁頂推過程控制的較好。

4 結(jié)語

頂推過程監(jiān)測結(jié)果表明，從整體線形來看，實(shí)測線形與理論線形偏差較小，整體線形控制較好。鋼箱梁頂推過程中DH1205K 傳感器能夠更好的適應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集，從數(shù)據(jù)來看變化趨勢與理論計(jì)算較為吻合，能夠及時(shí)反映頂推過程中鋼箱梁應(yīng)力的變化。本次鋼箱梁頂推過程控制得較好，可以應(yīng)用推廣至其他鋼箱梁頂推工程中。

采用在線監(jiān)測系統(tǒng)以及電阻式全橋應(yīng)變計(jì)，實(shí)現(xiàn)了鋼箱梁頂推過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測。在鋼箱梁頂推過程中，應(yīng)變計(jì)實(shí)時(shí)連續(xù)采集鋼箱梁應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，監(jiān)測系統(tǒng)將大量的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化的應(yīng)力實(shí)時(shí)變化圖，便于現(xiàn)場操作人員快速、及時(shí)地發(fā)現(xiàn)鋼箱梁應(yīng)力應(yīng)變異常情況，保證鋼箱梁頂推過程的安全。