自動化監測在橋梁滿堂支架安全監控中的應用

夏 軍，江 勇，孫尉恒

(1.中交路橋建設有限公司總承包分公司,北京 100000;2.北京安信卓越信息科技有限公司,北京 100085; 3.山東交通職業學院,山東 濰坊 261206)

0 引言

隨著城市化進程的推進和交通需求的增長,我國的橋梁數量和規模不斷增加,施工工藝也在不斷改進,滿堂支架法現澆預應力混凝土箱梁在橋梁工程中是一種較為常見的施工方法,應用廣泛,支架在橋梁施工過程中起到了支撐梁體、控制梁體變形、便于施工操作等重要作用。作為臨時的支撐結構,支架關鍵性往往受到忽視,缺乏對支架應變、位移等結構關鍵參數及時有效的監測,容易發生失穩垮塌,造成意外事故的發生,施工過程中支架的安全監控必不可少。

傳統支架監測主要采用定時點人工檢測的方式,通過全站儀、水準儀等儀器設備觀測支架的位移沉降情況,但在實際應用場景中存在以下不足:

1)監測數據離散、不連續,無法有效反映支架的結構狀況和發展趨勢,而支架的失穩垮塌往往是突發性的。2)施工過程中滿堂支架布置密集,現場通視條件較差,不適合光學設備使用[1]。3)人工檢測方式受時間和空間的限制,惡劣天氣下難以開展。4)檢測數據需要后期人工處理,無法第一時間得到結構信息。

當前,自動化監測技術快速發展,在橋梁工程中得以廣泛應用,但結構健康監測系統通常更加關注運營期間的安全狀況,本文將通過自動化監測在某橋梁施工期間滿堂支架的實際應用,闡述支架安全監測的系統組成、實施過程以及對于保障施工安全發揮的作用。

1 項目背景

某城市道路現澆橋梁施工項目,位于石家莊市北部片區,其中某立交匝道橋共7聯20跨,上部結構采用預應力混凝土現澆箱梁,標準段寬度采用10.5 m,梁高1.9 m;下部結構橋墩采用柱式墩、板墩,橋臺采用柱式。

現澆梁施工采用滿堂支架法,支架采用盤扣式鋼管支架,鋼管支架選用承插型盤扣式鋼管支架A類(60系列),支架搭設采用以下方式:

1)模板15 mm木膠板;2)橫向分配梁8 cm×8 cm方木,正常段間距20 cm,箱梁端頭及橫梁實心段位置加密至10 cm;3)縱向主梁12號工字鋼;4)立柱為60 cm×3.2 cm盤扣支架,橫向腹板肋板下間距60 cm,箱室翼緣板間距第一聯、第二聯、第三聯、第四聯為0.9 m～1.2 m,第五聯、第六聯、第七聯為1.2 m;支架縱向間距第七聯為1.5 m,其余為1.2 m,端橫梁及墩柱位置調整為90 cm,60 cm;5)地基處理:清表30 cm,碎石墊層20 cm,混凝土C25墊層20 cm,地基承載力不小于160 kPa,否則水泥土換填。

匝道橋第五、六聯滿堂支架布置如圖1所示。

項目建設過程中,考慮到滿堂支架在預壓和混凝土澆筑過程中,由于荷載變化,混凝土振搗以及施工操作不規范等不確定因素的影響,容易產生結構變形,如變化過大會引發支架傾覆。為及時反映滿堂支架的變化情況,預防事故的發生,綜合多因素考慮,針對滿堂支架的沉降、傾斜以及應力狀況開展自動化監測。

2 監測系統平臺概述

2.1 系統架構

自動化監測系統是通過智能傳感器采集結構物的環境與荷載作用、受力與變形情況等參數,將數據傳輸到監測平臺進行存儲和分析,平臺將數據進行可視化的呈現并根據數據情況做出相應的告警,以達到實時在線監測功能的實現。自動化監測系統架構包含感知層、網絡層、平臺層以及應用層,如圖2所示。

2.2 平臺功能

本項目采用“知物云”監測系統,該平臺在結構自動化監測領域應用相對較廣,功能較為完備,能夠將大量的結構健康數據進行有效管理、直觀展示和深入分析,以支持用戶對結構狀態的評估、決策和維護。

2.2.1 數據的存儲、分析和呈現

平臺實時獲取傳感器采集的結構位移、應力、振動等數據,并提供取中值、濾波、加權滑動平均等算法工具,對數據預處理,提取關鍵信息,以圖表形式顯示實時監控的數據,也可調取或下載歷史數據,或者對不同時間、不同測點的數據進行對比、關聯分析和呈現。

2.2.2 預警通知

平臺通過設定預警閾值,用于確定何時結構健康數據超過了正常范圍并被視為潛在風險,當監測到結構異常或潛在的安全隱患時,系統第一時間進行預報警,報警可通過實時界面提示或者以短信、郵件、微信的形式推送,確保相應負責人及時知曉結構的異常情況。

2.2.3 報表生成

平臺可將系統自動或者人工分析的數據結果導出,定期自動生成各類型報表,可隨時查看下載各個時期的報表文件,節省后期用于數據整理的人力投入,同時可對某一時間段內的數據按照不同方式取特征值,方便海量數據下直觀了解結構的變化情況。

3 監測實施方案

3.1 監測目的

1)確保滿堂支架的搭設質量。2)掌握滿堂支架在預壓和梁體澆筑過程中的變化情況。3)及時反映滿堂支架異常情況,確保施工過程中結構的安全。4)為梁體預拱度預留值合理性檢驗提供參考。

3.2 監測內容

根據專項施工方案并參考相關規范,為有效判斷支架安全狀況,對支架的受力、變形情況開展監測,具體監測內容及設備如表1所示。

表1 監測內容及設備

3.3 測點布設

綜合考慮不同搭建方式下腳手架立柱的長細比和穩定性驗算結果,支架應變、沉降監測測點布置在每跨墩臺附近的支架底部,支架傾斜監測測點選在支架高度1/3位置處布設,各測點沿支架寬度方向布設在最外側墩臺和跨中附近的支架上。匝道橋某一跨的監測點位布設如圖3所示。

3.4 設備安裝

1)應力應變監測選用表面式應變計,采用振弦原理,當被測結構物的應變發生變化時,應變計兩端安裝支座產生相對位移并傳遞給鋼弦,使鋼弦受力發生變化,從而改變鋼弦的固有頻率,通過線圈激振鋼弦并檢測出線圈所感應信號的頻率,振動頻率的平方正比于應變計的應變,經換算得到被測結構物的應變量。2)沉降監測選用靜力水準儀,采用連通器原理,通過測量每個測點液位變化的高度來計算沉降量。3)傾斜監測選用盒式固定測斜儀,通過內部傾斜傳感器測量地球的重力加速度在X軸、Y軸上的分量來對傾角進行測量。

這三款傳感器在結構監測領域應用廣泛,技術相對成熟,具有測量精度高、穩定性好以及安裝和維護便捷等優點。數據的采集傳輸選用分布式數據采集節點,該設備內部集成了振弦傳感器以及 RS485 類傳感器的測量電路,可實現多參數采集、數據無線傳輸,外置太陽能電池板提供長期的續航能力,適應支架這類接電復雜的戶外場景。現場實際監測設備如圖4所示。

4 監測數據說明

4.1 應變監測數據

滿堂支架立桿應變監測數據如圖5所示。

根據應力應變計算公式:

σ=Eε

(1)

其中,σ為鋼管立柱應力;E為鋼管的彈性模量,E=206 GPa;ε為鋼管的應變值。

由圖5可知監測周期內支架立桿均受壓且各監測點位應力應變變化趨勢基本一致,最大應變值εmax=163.78 με,得出最大應力σmax=33.74 MPa,遠小于鋼管的許用應力[σ]=300 MPa,支架穩定安全。

4.2 變形監測數據

1)滿堂支架沉降監測數據如圖6所示,監測周期內沉降監測基準點的豎向位移相對恒定,中途發生一次突變,分析原因為受現場施工人員和機械設備擾動影響。各沉降監測測點數據變化幅度較小,支架豎向位移無明顯變動。2)滿堂支架傾斜監測測點數據如圖7所示,監測周期內立桿角度基本保持不變,支架未發生明顯傾斜。

滿堂支架在此監測周期內變形狀況在可控范圍內,滿足安全要求。

5 結論

通過在橋梁滿堂支架安全監控中引入自動化監測手段,可得出以下結論:

1)滿堂支架在橋梁施工澆筑過程中正常工作,其構件變形及應力均未出現異常情況。監測周期內滿堂支架監測點位的應變均小于設計值,立桿的安全儲備較高,且未發生明顯形變,支架結構安全、可靠。

2)工程實踐表明自動化監測具有操作便捷性、測量準確性、數據連續性、預警及時性等優勢[2-3]。自動化監測基本不受時間和空間因素的影響,適用于滿堂支架這類不利于人工開展測量工作的狹窄環境,并可實時監控支架的受力變形情況,數據異常可及時預警[4],準確掌握支架結構的運行狀況,有效保障現場人員的安全,具有一定的推廣應用價值。

當前自動化監測在支架等臨時設施中的應用仍在初步階段,相關的行業標準及規范尚不健全,監測因素和監測點位的確定以及預警閾值的設置沒有明確參照依據,對于結構的安全評價標準差異較大。此外,自動化監測得到的海量數據缺乏有效的利用,需要行業內專家進一步的挖掘分析[5],結合實際工程案例,將監測大數據應用于傳感器優化布置、結構模態與模型修正、結構災變分析與損傷溯源、結構健康狀況評估與服役年限預測等更多場景[6],推動基建領域數字化的發展。