差異工況下滿堂支架關鍵測點及預警系統

劉圣潔,趙之仲*,陳旭,隋明言,趙瑜隆

1.山東交通學院交通土建工程學院,山東 濟南 250357;2.山東高速建設管理集團有限公司,山東 濟南 250098

0 引言

模板支架是橋梁工程中承受施工動靜荷載的重要臨時設施,支架坍塌導致的安全事故常常造成較多人員傷亡及重大經濟損失[1]。改進支架結構可提高支架的穩定性,但影響支架穩定性的因素較多,支架穩定性并不單單由材料結構自身決定,動靜荷載均對支架的穩定性產生一定影響[2]。丁峰等[3]根據位移相等原則測試支架測點處懸掛重錘的位移,減小風力對支架的影響,對風力引起的支架水平位移進行修正,簡便實現高空支架位移的實時監測;韓國祥[4]通過有限元分析及數字圖像相關法技術實時監測支架危險截面的應力,設計完整、有效的支架施工質量和施工安全監控方案;田帥帥等[5]采用鋼弦式應變計測試支架應力,實時監控支架變形和應力,確保橋梁結構的施工安全;王佳峰[6]采用三維激光掃描技術監測現澆橋梁支架變形,提出基于三維激光掃描技術的腳手架安全監控系統;Tang等[7]開發監測技術及平臺,提高支架結構的安全性。

傳感器決定監測技術的時效優越性[8]。房濤等[9]發明非接觸式超聲測距傳感器,監測橋梁施工過程中滿堂支架的相對沉降,及時提供監測結果,提高現場安全監控的有效性;何存富等[10]采用ZigBee技術設計可重復使用的套筒式力傳感器和傾角傳感器,在線監測滿堂支架。大部分傳感器的監測指標是荷載應力和位移變形[11],監測方式布點少、采集頻率低;應變計和靜力水準計價格昂貴,無法實現遍布式監測效果,且不能重復利用。

本文研究支架變形實時監測及預警技術,采用可重復使用的9軸姿態角度傳感器,設計監測方法和監測指標體系,分析支架變形過程中的關鍵測點與鋼管角度變形規律間的關系,明確角度預警閾值,以期為后續支架的施工監測提供理論支撐與經驗指導。

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、搭設速度快、壽命較長、周轉次數較多、利用率較高等優點[12],但仍存在鋼管的材料不符合規定、鋼管的直徑與壁厚有初始缺陷及鋼管在周轉達到一定次數后出現彎曲等缺點,影響支架的安全穩定性[13-15]。因此,以支架支撐單元為基礎,通過破壞形式分析支架穩定性的影響因素。

盤扣式鋼管支架連接點結構如圖1所示,支撐單元如圖2所示。主節點是指立桿、縱向水平桿和橫向水平桿交接處的扣結點,主要由插銷、扣接頭與連接盤組成,三者機械連接后鎖止;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結構 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破壞2種。正常使用極限狀態中的破壞形式主要包括影響正常使用或外觀的變形、影響結構正常使用的振動、影響耐久性的局部損壞或影響正常使用的其他狀態[17]。承載能力極限狀態的破壞形式主要包括整體結構或局部作為剛體或半剛體傾覆、結構體系轉換、地基承載力喪失,由連接件或連接點問題引發的超過材料抗拉、抗壓、抗彎強度而破壞,或過度變形破壞、大荷載或偏載導致的壓屈等問題。

這些破壞形式往往與支架局部失穩有關,局部失穩不一定導致模板立即坍塌,但隨施工進程推進,不同工況下面臨隨時出現整體失穩的風險[18]。因此,局部失穩的研究優先級高于整體失穩,需先研究支架局部變形規律。

2 角度傳感器

圖3 9軸姿態角度傳感器內部結構

采用體積較小、安拆簡便的9軸姿態角度傳感器,模塊內部結構如圖3所示。模塊集成高精度的陀螺儀、加速度計和地磁場傳感器,采用計算性能較高的微處理器,運用動力學解算與卡爾曼動態濾波算法計算傳感器瞬時的運動姿態[19],實現加速度、角速度、磁場、角度三維測量;配有全球定位系統(global positioning system,GPS)接口,連接后可測量地理位置和地速,穩定性較高。

傳感器安裝與數據采集如圖4所示。通過 USB 轉串口模塊連接電腦,打開上位機,安裝串口模塊對應的驅動CP210X后,與傳感器內部安裝的信號傳輸模塊相連,傳感器的最高數據輸出頻率為200 Hz,可任意選擇輸入內容,通過信號模塊將施工現場數據傳至后臺電腦云端。

根據承插型滿堂盤扣支架的結構特點,可將連接點視為1個單元,將所連桿件視為其他單元,在插銷后側放置陀螺儀,固定在連接盤與所連桿件交界處,精準測量測點角度在x、y、z方向上的變動。分析不同施工工況下的角度變化,并與角度變化閾值對比,實現局部失穩狀態的判斷和預警。

圖4 傳感器安裝與數據采集

3 有限元分析

3.1 模型建立與荷載計算

3.1.1 幾何模型

依托某工程實例,在混凝土連續現澆梁中,某梁段縱向長度L=18 m,采用承插型滿堂盤扣支架結構,支架橫向間隔0.6 m,16段間隔,總長9.6 m;縱向間隔1.5 m,12段間隔,總長18.0 m;豎向間隔1.5 m,4段間隔,總長6.0 m。

圖5 滿堂盤扣支架計算模型

采用軟件Midas Civil建模,構件為方木,橫向方木梁單元截面為矩形,150 mm×50 mm;縱向方木梁單元截面為矩形,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,構建計算模型如圖5所示。

3.1.2 邊界條件

從外部約束角度考慮,計算標準荷載時,立桿底部與地基連接,抗彎性能差,無彎矩約束,底部節點為鉸接,選擇底部節點為一般支撐。

從內部約束角度考慮,分析節點間力的傳遞,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點間有水平摩擦力與豎向支撐的連續梁,各節點間為彈性連接。

從釋放梁端約束角度考慮,盤扣式結構的節點轉動剛度為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9.6 m,兩端各空余0.3 m;在施加荷載及荷載計算時,坐標設定對兩端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,人工機具荷載及振搗、澆筑混凝土荷載均為2.50 kPa,標準水平荷載為2%的標準垂直永久荷載,以線荷載的形式作用在架體頂部,風荷載為0.26 kPa。

計算正常使用極限狀態時,按剛度荷載組合計算,永久荷載與可變荷載的分項系數均為1.0;計算承載能力極限狀態時,按強度荷載組合計算,永久荷載的分項系數為1.3,可變荷載的分項系數為1.5。

3.2 關鍵測點角度閾值

3.2.1 測點布置及變形

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跨徑處設置監測斷面,如圖7所示,斷面編號分別為T0、T1、T2、T3、T4。以斷面T0為例,在模型整體坐標中,定義梁段縱橋向方向為x軸,梁段橫截面方向為y軸,監測點沿y軸向外側延伸,豎直方向為z軸,監測點布設如圖8所示,監測點依次為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。選取測點后,分析支架結構在x、y、z方向的變形狀況,如圖9所示。

單位:cm。 圖7 監測斷面布設示意圖 圖8 斷面T0監測點布設示意圖

a)x方向 b)y方向 c) z方向圖9 支架結構變形云圖

根據不同工況的有限元計算結果,由圖9可知:支架的最大變形出現在跨中部位。x方向上,支架結構在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構底板中間,即T03-T43斷面。

3.2.2 正常使用極限狀態下的角度閾值

計算測點角度閾值時,同時考慮預壓荷載卸除及預應力筋張拉過程中支架結構的變化。施工節點分別為預壓加載前(A)、預壓荷載加至滿荷載的60%(B)、預壓荷載加至滿荷載的80%(C)、預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)、預應力筋張拉結束(G)。根據工程實際情況,設定完成第1次澆筑時混凝土的澆筑量占整體澆筑量的48.68%。

根據有限元模擬獲取的關鍵測點信息及靜力結果分析,應力分布以橫、縱橋向中心線為對稱軸,因此,分析不同變形方向的角度閾值時,僅需分析對稱軸任意一側的前3點。最大變形的角度閾值滿足安全要求時,其余支架節點均滿足安全要求。計算各工況下關鍵測點的角度閾值,結果如圖10所示。

a)x方向 b)y方向 c) z方向圖10 各工況下關鍵測點的角度閾值

為方便統計,不考慮角度變化量的正負,只計算角度變化量的絕對值。由圖10可知:在x方向上,以T2斷面為對稱軸,T2斷面幾乎不發生x方向變化,角度閾值始終保持0°,T03、T43相對稱,跨中縱向兩端測點T03、T43的荷載響應較好,角度閾值隨荷載的增大而增大,預壓荷載達到110%時,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構跨中兩端對稱處,且處在縱向中心線上,測點T21、T25可作為y方向的關鍵測點,在第1次澆筑完成時,最小角度閾值為0.006 5°;在z方向上,各測點角度閾值的變化規律相同,但在結構橫、縱向中心交接處,測點T23的角度閾值最大,以T23為中點,橫、縱中心線上各測點在z方向的角度閾值遞減。由圖10計算的各工況角度閾值可配合關鍵測點直接應用在工程實際施工中。

3.2.3 承載能力極限狀態下的角度閾值

在地基承載力滿足要求的條件下,采用強度荷載組合對滿堂盤扣支架模型進行荷載計算,與正常使用極限狀態的計算方法相同,直接添加強度荷載組合,無需添加不同工況。強度荷載組合下,各測點在預壓工況、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 強度荷載組合、預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下,角度閾值仍以T2為中心軸對稱分布,因此只分析斷面T0、T1、T2。由圖11、12可知:2種工況下,x、y、z3個方向上的結構變形規律分別相同,角度閾值差別較小;與正常使用極限狀態相比,承載能力極限狀態下的角度閾值仍與關鍵測點對應,x方向上的最大角度閾值比正常使用極限狀態減小約50%,原因是支架達到新的力學平衡后,應力重新分布,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,通過應力疏散提升了支架邊緣測點的穩定性,角度閾值增大約6%;z方向上,測點T23位于支架中心,力學穩定性及應力傳導性較強,角度閾值比正常使用極限狀態增大約24%。

3.2.4 單點地基承載力不足時的角度閾值

圖13 結構底部節點最大地基承載力

根據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為單位變形量對這4點施加節點強制位移,只對部分支架結構產生影響,頂托沉降由1.078 mm增至1.260 mm。對截面T2上的測點T23產生影響,T23為z方向的關鍵測點,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°。測點T23在z方向的角度閾值比正常使用極限狀態略大,比承載能力極限狀態小,符合支架實際施工過程中的角度變化規律。

4 現場試驗

依托某公路橋進行現場原位試驗,現場試驗模型與實際橋梁一致,采用縱、橫雙拼方木-承插型滿堂盤扣支架系統。搭設支架時,同步布設9軸姿態角度傳感器并試運行,確保正常收發信號,同時排除故障元件,并及時更換,監測關鍵測點的角度變化。

關鍵測點在x、y、z3個方向上的角度變化如圖14所示。由圖14可知:有限元角度模擬數值與監測結果吻合,證明了承插型滿堂盤扣支架結構在預壓及澆筑過程中安全可控;測點角度變化均未超過角度閾值,可采用角度指標監測工程安全。

a)x方向 b)y方向 c) z方向圖14 關鍵測點在x、y、z 3個方向上的角度變化

5 結論

1)對承插型滿堂盤扣支架進行理論研究和數值模擬,發現支架的最大變形出現在跨中部位;x方向以縱向兩端對稱側變化最明顯;y方向的最大變形位于結構橫向兩端對稱處,且二者變化相同;z方向的最大變形位于結構底板中間部位,變化最明顯。

2)正常使用極限狀態下,角度閾值隨荷載的增大而增大。x方向上,以跨中斷面為對稱軸,跨中橫向兩端測點的荷載響應較好,預壓荷載達到110%時,最大角度閾值為0.022 2°;y方向上,最大角度變形位于結構跨中兩端對稱處,且在縱向中心線上,跨中邊緣測點可作為y方向的關鍵測點,在第1次澆筑完成時,最小角度閾值為0.006 5°;z方向上,在結構橫縱中心交接處測點的角度閾值最大,在橫縱中心線上各測點z向角度閾值遞減。

3)承載能力極限狀態下,角度閾值仍以跨中為中心軸對稱分布,并與關鍵測點對應,x方向上最大角度閾值比正常使用極限狀態減小50%;在y方向上,支架邊緣測點通過應力疏散提升了測點的穩定性,角度閾值增大6%;z方向上,位于支架橫縱中心交接處測點的力學穩定性及應力傳導性較強,角度閾值比正常使用極限狀態增大24%。

4)采用9軸姿態角度傳感器進行橋梁原位試驗監測,監測結果與模擬結果吻合,模擬數據可靠,角度閾值作為監測指標具有一定的實用性,為后續支架監測工程提供理論支撐與經驗指導。