承受超重荷載掛籃自動化監(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.中交交通基礎工程環(huán)保與安全重點實驗室，廣東 廣州 510230)

隨著我國交通基礎設施的進一步完善，越來越多橋梁應用到大型項目中，掛籃也普遍應用于橋梁懸臂現(xiàn)澆施工中。由于輕質高強、剛度大、拆卸方便、移籃操作簡單、能承受比自身重量大很多的施工荷載等優(yōu)點，掛籃成為懸臂現(xiàn)澆施工理想的主要荷載承重設備，其中最為突出、應用最多的為菱形掛籃。菱形掛籃主受力桁架為菱形結構，是在平行桁架式掛籃基礎上簡化而來。菱形主桁架結構簡單，受力明確，各構件均為拉壓桿件，節(jié)點受力，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。

在實際橋梁施工中，由于掛籃混凝土非對稱澆筑、吊帶損傷、錨固不牢靠等造成掛籃坍塌及過大變形時有發(fā)生，且菱形掛籃本身承受荷載比自重大，一旦結構失效造成嚴重后果，給我國交通基建帶來巨大損失和嚴峻挑戰(zhàn)[1-5]，迫切需要研究一種能準確監(jiān)控掛籃安全狀態(tài)的系統(tǒng)，實現(xiàn)實時預警功能，增強信息化施工準確性，保證項目安全進行。

經過調研，目前不少學者采用有限元仿真分析方法對掛籃各施工工況進行計算分析，但計算結果往往與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)相差較大[6]，開發(fā)掛籃自動監(jiān)控系統(tǒng)，并對系統(tǒng)可靠性做出評價，對保障掛籃施工安全具有重要價值[7]。國內陸續(xù)開發(fā)出掛籃監(jiān)控系統(tǒng)，但如何評價其可靠性和準確性卻鮮有研究。本文依托重慶市萬州區(qū)某在建大橋，橋梁施工采用菱形掛籃，最重節(jié)塊重902.4t。通過對掛籃進行預壓，結合自主開發(fā)的自動化掛籃監(jiān)控系統(tǒng)，對應力和位移數(shù)據(jù)進行實時采集，并與有限元計算結果、人工監(jiān)測結果等進行比對，考慮結構形式、加載方式、加載制度等，對數(shù)據(jù)準確性、可靠性與合理性進行論證分析。

1 工程概況

重慶市萬州區(qū)某在建大橋是一座萬一中至駙馬片區(qū)庫岸及消落區(qū)綜合整治工程的重點大橋，全長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次拋物線過渡。結構形式為下承式梁拱組合體系，采用先梁后拱式施工工藝，總體橋梁設計自重大，主梁采用懸臂澆筑，懸臂澆筑節(jié)段自重達902.4t，是目前國內最重懸臂澆筑節(jié)段，掛籃總重362t，質量比達0.4。

在橋墩頂面節(jié)段澆筑完成并達到設計強度后開始安裝掛籃，沿大、小里程方向同步進行，以免對橋墩產生過大偏載，模型如圖1所示。根據(jù)掛籃受力，在大、小里程側對稱布置傳感器。其中，在中間榀菱形架布置靜力水準儀和振弦式應變計，如圖2所示，在邊榀只布置靜力水準儀，每根前吊帶安裝振弦式應變計，面向大里程從左依次編號為左吊帶1～7，右吊帶7～1，共38支應變計，12臺靜力水準儀。分別在箱形梁腹板位置預埋反力架，通過千斤頂與反力架給底籃施加豎向荷載，按三級加載，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)設計計算書及材料容許應力設置預警值，如表2所示。

表2 掛籃各部位指標各級預警值

圖3 加載曲線

表1 各千斤頂加載級

圖1 掛籃BIM模型

圖2 典型斷面測點布置

2 監(jiān)測結果分析

2.1 掛籃主桁架豎向位移

為便于分析，規(guī)定相對位移向下為正，向上為負。由圖4可知，大、小里程側主桁架立桿頂部及前上橫桿端部相對于中間榀桁架立桿的豎向位移基本對稱分布，與掛籃對稱形式及荷載對稱加載吻合。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于中間榀為負，說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)清零至第一級加載結束，位移不斷增加，持荷穩(wěn)定；第二級加載，位移再次增加，持荷穩(wěn)定；第三級加載，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外，主桁架其他部位相對位移曲線均能明顯看到25%，50%，100%的分級變化情況，變化趨勢與加載曲線一致。由分析結果可知，數(shù)據(jù)對稱性、相互關系、變化趨勢等均與結構形式、加載方式、加載制度吻合，體現(xiàn)了掛籃自動化監(jiān)控系統(tǒng)位移監(jiān)測值的合理性與準確性。

圖4 主桁架豎向位移曲線

2.2 掛籃主桁架應力

為便于分析，規(guī)定受拉應力為正，受壓應力為負。由圖5可知，大、小里程側主桁架應力曲線基本對稱，與掛籃的對稱形式及荷載對稱加載吻合良好。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，最大壓應力出現(xiàn)在前撐桿，最大拉應力出現(xiàn)在前上橫桿，與理論受力狀態(tài)相符。應力曲線從初始數(shù)據(jù)清零到第一級加載結束，應力不斷增加，持荷穩(wěn)定；第二級加載，應力再次增加，持荷穩(wěn)定；第三級加載，應力再次增加，持荷穩(wěn)定；最后卸載，應力急劇下降并趨于0。主桁架桿件應力曲線均能明顯看到25%，50%，100%的分級變化情況，其變化趨勢與加載曲線一致。從分析結果來看，數(shù)據(jù)對稱性、桿件受力狀態(tài)、變化趨勢等均與結構形式、加載方式、加載制度、理論受力狀態(tài)吻合，體現(xiàn)了掛籃自動化監(jiān)控系統(tǒng)應力監(jiān)測值的合理性與準確性。

圖5 主桁架應力曲線

2.3 掛籃吊帶應力

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

圖6 右吊帶應力曲線

圖7 左吊帶應力曲線

根據(jù)荷載總和進行吊帶最大平均應力計算，與大、小里程側實測值、有限元計算值等進行比較，由于大里程側左吊帶1和小里程側右吊帶1損壞，且吊帶應力分布不均勻，為避免實測值缺失導致平均值過大而偏離真實值，按左、右對稱性賦值給大里程側左吊帶1和小里程側右吊帶1，平均值計算結果如表3所示。由表3可知，大里程側實測值與理論計算值接近，約為38MPa；小里程側實測值與有限元計算值接近，約為35MPa；大、小里程側實測值平均值也相差不大，可見掛籃自動化監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測值可靠性較高，數(shù)據(jù)較準確、合理。

表3 加載過程中吊帶最大應力

2.4 掛籃應力、位移綜合分析

由表3及圖8可知，實測吊帶應力分布基本左右對稱，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，與有限元計算值基本吻合。主桁架豎向位移對比如圖9所示，由于現(xiàn)場人工監(jiān)測條件有限，只監(jiān)測了中間榀、次左邊榀、次右邊榀桁架梁端位移，自動化監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測了邊榀和中間榀梁端和立桿，為便于分析，通過自動化監(jiān)測值和榀間距進行內插，求取次左邊榀和次右邊榀位移。由圖9可知，無論是自動監(jiān)測值、人工監(jiān)測還是有限元計算值，相對于中間榀立桿頂面，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算值吻合。此外，人工監(jiān)測采用全站儀進行，因為測量人員及儀器誤差影響較大，監(jiān)測值相對偏大，自動監(jiān)測值次之，有限元計算值最小。采用的系統(tǒng)自動監(jiān)測值是人工監(jiān)測值及理論值的中和，可靠性更高。

圖8 不同吊帶應力對比

圖9 主桁架豎向位移對比

3 結語

1)通過對掛籃進行預壓，結合自主開發(fā)的掛籃自動化監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，進而分析數(shù)據(jù)可靠性和合理性的方法可行。

2)自動化監(jiān)控系統(tǒng)所測桁架豎向位移數(shù)據(jù)對稱性、相互關系、變化趨勢等均與結構形式、加載方式、加載制度吻合，體現(xiàn)了掛籃自動化監(jiān)控系統(tǒng)位移監(jiān)測值的合理性與準確性。通過比較，人工監(jiān)測值相對偏大，自動監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測值次之，有限元計算值最小。采用的系統(tǒng)自動監(jiān)測值是人工監(jiān)測值及理論值的中和，相對而言可靠性更高。

3)自動化監(jiān)控系統(tǒng)所測桁架、吊帶應力數(shù)據(jù)對稱性、桿件受力狀態(tài)、變化趨勢等均與結構形式、加載方式、加載制度、理論受力狀態(tài)吻合，體現(xiàn)了掛籃自動化監(jiān)控系統(tǒng)應力監(jiān)測值合理性與準確性。大、小里程側吊帶應力實測均值與理論計算值、有限元計算值均較為接近。