超長(zhǎng)懸挑式卸料平臺(tái)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究

袁文俊, 葉光榮, 丁 寧, 李家富, 李長(zhǎng)江

(中國(guó)華西企業(yè)股份有限公司第十二建筑工程公司,四川成都 610000)

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展,當(dāng)代建筑在保證使用功能的同時(shí)其結(jié)構(gòu)形式也越來(lái)越多樣化、復(fù)雜化,異性結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的外觀要求,這無(wú)疑對(duì)施工材料搭設(shè)和轉(zhuǎn)運(yùn)提出了更高的設(shè)計(jì)和安全要求[1]。超長(zhǎng)工具式型鋼懸挑卸料平臺(tái)無(wú)疑是解決該問(wèn)的一種最優(yōu)解,該技術(shù)方法較為新穎投入工程的實(shí)例相對(duì)較少,對(duì)其使用的結(jié)構(gòu)狀態(tài)做出評(píng)估,保障超長(zhǎng)工具式型鋼懸挑卸料平臺(tái)的使用安全,為后續(xù)在類似工程的實(shí)施提供可靠的數(shù)據(jù)支撐和工程經(jīng)驗(yàn)。

1 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)參數(shù)信息及受力驗(yàn)算

1.1 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)參數(shù)信息

超長(zhǎng)懸挑卸料平臺(tái),主梁采用9 m長(zhǎng)的18#工字鋼作為主梁,其抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為205 N/mm2,彈性模量E為206 000 N/mm2;2 m長(zhǎng)的14#工字鋼作為次梁,其抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為205 N/mm2,彈性模量E為206 000 N/mm2;平臺(tái)面板厚度為15 mm的沖壓鋼腳手板,拉索采用直徑為21.5 mm,型號(hào)為6×37的鋼絲繩。卸料平臺(tái)寬度為2 m,長(zhǎng)度為6 m,與主體結(jié)構(gòu)采用預(yù)埋U形鋼筋采用鋼絲繩連接,主梁間距為2 m,次梁間距為0.9 m,超長(zhǎng)懸挑卸料平臺(tái)的設(shè)計(jì)規(guī)格參數(shù)如圖1、表1所示。

表1 超長(zhǎng)型鋼懸挑卸料平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 超長(zhǎng)懸挑卸料平臺(tái)荷載計(jì)算系數(shù)

表3 超長(zhǎng)懸挑卸料平臺(tái)受力計(jì)算

圖1 超長(zhǎng)懸挑卸料平臺(tái)模型

1.2 結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)算

卸料平臺(tái)的設(shè)計(jì)及受力驗(yàn)算主要依據(jù)GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》、GB50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、GB50205-2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》、JGJ80-2016《建筑施工高處作業(yè)安全技術(shù)規(guī)范》、JGJ130-2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》和GB/T 20118-2017《鋼絲繩通用技術(shù)條件》,充分考慮規(guī)范要求及載荷結(jié)構(gòu)受力,保證施工過(guò)程安全可靠。

2 超長(zhǎng)懸挑卸料平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是一個(gè)重要的領(lǐng)域,在保障結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性方面起著舉足輕重的作用。該領(lǐng)域研究的核心是對(duì)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè),這有助于識(shí)別結(jié)構(gòu)中的潛在問(wèn)題,及時(shí)采取措施來(lái)保證結(jié)構(gòu)的安全和可靠性。通過(guò)對(duì)風(fēng)力機(jī)長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)來(lái)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)構(gòu)在環(huán)境荷載作用下動(dòng)力特性變化情況,了解結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)運(yùn)行狀態(tài),為后續(xù)相關(guān)研究奠定基礎(chǔ),進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)健康評(píng)估和維護(hù)[2-4]。

2.1 傳感器布置與安裝

超長(zhǎng)懸挑卸料平臺(tái)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)4種類型設(shè)備(氣象站、溫度計(jì)、應(yīng)變計(jì)、激光位移計(jì))共計(jì)12支傳感器和設(shè)備組成,建立了一套綜合全面的對(duì)超長(zhǎng)懸挑卸料平臺(tái)結(jié)構(gòu)性能的全壽命監(jiān)控。各類型傳感器的位置如圖2所示,其中s氣象站、風(fēng)速儀安裝在卸料平臺(tái)外邊緣;拉力計(jì)安裝在鋼絲繩上;溫度傳感器與應(yīng)變計(jì)安裝在平臺(tái)邊緣。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置

2.2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

超長(zhǎng)懸挑式卸料平臺(tái)的SHM系統(tǒng)基于結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估、計(jì)算分析與軟件開(kāi)發(fā)、信號(hào)傳輸與傳感器網(wǎng)絡(luò)等建立來(lái)的模塊化結(jié)構(gòu),該系共由6個(gè)子系統(tǒng)組成:用于結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)采集的傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、用于分析和管理的數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、用于綜合處理的結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)系統(tǒng)、用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份和監(jiān)測(cè)預(yù)警的結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和檢查與維護(hù)系統(tǒng),如圖3所示。

圖3 超長(zhǎng)懸挑式卸料平臺(tái)SHM健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)采集到的數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)中的調(diào)解模塊處理,統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)。SHM系統(tǒng)中因傳感器集中程度不同,采用采集子站,采集子站與控制中心數(shù)字采集系統(tǒng)通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn),同步上傳數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 信號(hào)傳輸系統(tǒng)框架

3 結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析

3.1 超長(zhǎng)懸挑卸料平臺(tái)使用環(huán)境監(jiān)測(cè)

表4為監(jiān)測(cè)期間溫度隨時(shí)間的關(guān)系圖,最高溫度為37.2 ℃,最低溫度為-7.4 ℃,最大溫差達(dá)到44.6 ℃,平均溫度為14.41 ℃。如表4所示監(jiān)測(cè)期間環(huán)境氣溫統(tǒng)計(jì),其中一月份平均溫度最低為-5.47 ℃,8月份平均溫度最高,為22.09 ℃;12月至2月份平均溫度皆為負(fù)值,重點(diǎn)關(guān)注超長(zhǎng)懸挑卸料平臺(tái)的鋼結(jié)構(gòu)部分可能發(fā)生的冷脆現(xiàn)像,加強(qiáng)對(duì)超長(zhǎng)懸挑卸料平臺(tái)的監(jiān)測(cè),提高人工檢測(cè)頻率,做到一天2次,保證結(jié)構(gòu)的安全性。表5為監(jiān)測(cè)期間風(fēng)速,超長(zhǎng)懸挑卸料平臺(tái)使用期間最大的11.02 m/s,最小風(fēng)速0 m/s,其中3月、4月、10月、11月和1 2月期間的風(fēng)速相對(duì)較大,要時(shí)刻關(guān)注超長(zhǎng)懸挑卸料平臺(tái)的使用狀態(tài),注意大風(fēng)天氣的影響,必要時(shí)可中斷、停止施工保障結(jié)構(gòu)安全。

表4 使用期間溫度監(jiān)測(cè) 單位:℃

表5 使用期間風(fēng)速監(jiān)測(cè) 單位:m/s

3.2 超長(zhǎng)懸挑卸料平臺(tái)變形監(jiān)測(cè)

為了預(yù)防卸料平臺(tái)產(chǎn)生變形對(duì)施工過(guò)程造成危險(xiǎn),造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡,因此需要在結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè),以保證結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的安全,并為施工工序的合理安排提供可靠的依據(jù),也為后續(xù)在類似工程的實(shí)施提供可靠的數(shù)為了預(yù)防卸料平臺(tái)產(chǎn)生變形對(duì)施工過(guò)程造成危險(xiǎn)

x

依據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)空載下超長(zhǎng)懸挑卸料平臺(tái)的整體狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)正常使用過(guò)程中空載狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,在使用中如圖5所示,為卸料平臺(tái)兩側(cè)應(yīng)變傳感器測(cè)量數(shù)據(jù),最大應(yīng)力為8.32 MPa,最小應(yīng)力為-2.32 MPa;如圖6所示,卸料平臺(tái)鋼絲繩的最大應(yīng)力為28.19 MPa,最小應(yīng)力為12.33 MPa。

圖5 空載下卸料平臺(tái)受力變化情況

圖6 空載下鋼絲繩受力變化情況

依據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),正常使用過(guò)程中在荷載作用下下超長(zhǎng)懸挑卸料平臺(tái)的整體狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),在使用中如圖7所示,最大應(yīng)力為19.21 MPa,最小應(yīng)力為3.56 MPa,皆小于設(shè)計(jì)所能承受荷載,結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài);如圖8所示,最大應(yīng)力為54.66 MPa,最小應(yīng)力為17.38 MPa,皆小于鋼絲繩設(shè)計(jì)時(shí)所能承受荷載,卸料平臺(tái)整個(gè)使用過(guò)程中結(jié)構(gòu)出于安全狀態(tài),且整體受力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)能承受荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。

圖7 卸料平臺(tái)受力變化情況

圖8 鋼絲繩受力變化情況

在樓層與卸料憑條齊平位置安裝了激光位移計(jì),監(jiān)測(cè)卸料平臺(tái)與樓層結(jié)構(gòu)之間相對(duì)位移的變化情況,進(jìn)而分析卸料平臺(tái)的安全性、穩(wěn)固性和抵抗荷載的變形能力。如圖9(a)所示,通過(guò)固定在結(jié)構(gòu)上的激光位移計(jì)到超長(zhǎng)懸挑式卸料平臺(tái)的前端的距離變化情況,卸料平臺(tái)前段的運(yùn)動(dòng)距離最大值的2.36 mm,最小值為0.12 mm,最大變化幅度為2.64 mm;如圖9(b)所示,在使用過(guò)程中結(jié)構(gòu)上的激光位移計(jì)到超長(zhǎng)懸挑式卸料平臺(tái)的尾端的距離變化,其中最大值為4.91 mm,最小值為-4.64 mm,卸料平臺(tái)尾部變化范圍9.55 mm。其二者相對(duì)距離的變化范圍均在可允許范圍內(nèi),低于設(shè)計(jì)要求,在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中激光位移計(jì)的測(cè)量未出現(xiàn)突變,測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)、穩(wěn)定、有效。

圖9 激光位移計(jì)測(cè)距

4 小結(jié)

通過(guò)對(duì)超長(zhǎng)懸挑卸料平臺(tái)變形監(jiān)測(cè)施工過(guò)程情況進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。首先依據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),為保證施工效率和施工進(jìn)度設(shè)計(jì)了超長(zhǎng)懸挑式施工卸料平臺(tái);其次,為保證超長(zhǎng)懸挑卸料平臺(tái)符合現(xiàn)行規(guī)范和滿足使用過(guò)程中承載力的要求,對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能進(jìn)行了驗(yàn)算;最后,針對(duì)現(xiàn)行超長(zhǎng)懸挑式施工卸料平臺(tái)的使用設(shè)計(jì)了一套健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)時(shí)關(guān)注結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),監(jiān)測(cè)施工使用期間的承載能力、運(yùn)營(yíng)狀態(tài)、耐久能力及剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)[6],建立了一套完整的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)綜合分析得到幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)超長(zhǎng)懸挑式卸料平臺(tái)適應(yīng)能力強(qiáng),可滿足不同結(jié)構(gòu)外形的建筑結(jié)構(gòu)施工,通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體受力計(jì)算,完全符合且滿足規(guī)范要求。

(2)依據(jù)超長(zhǎng)懸挑式卸料平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了建立了一套結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)該卸料平臺(tái)的監(jiān)測(cè),其在大風(fēng)天氣,低溫天氣下使用狀態(tài)良好;鋼絲繩所受的最大應(yīng)力54.66 MPa、卸料平臺(tái)的最大應(yīng)力為19.21 MPa均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi),超長(zhǎng)懸挑式卸料平臺(tái)的前段最大變形為2.64 mm,尾部最大變形為9.55 mm,均符合計(jì)算和設(shè)計(jì)要求。

(3)超長(zhǎng)懸挑式卸料平臺(tái)在施工使用過(guò)程中,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平穩(wěn),未見(jiàn)異?；蛲蛔?監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能真實(shí)有效性的反應(yīng)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài),為后續(xù)超長(zhǎng)懸挑式卸料平臺(tái)在建筑施工中的的使用提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。