挂篮结构监测在石头寨特大桥施工中的应用

2021-04-01王小山代珂吴玉康

工程建设与设计 2021年9期

王小山，代珂，吴玉康

（中交二公局第二工程有限公司，西安 710119）

1 引言

挂篮悬臂浇筑施工又称迪维达克施工。目前，国内大部分大中跨径桥梁的梁体悬臂浇筑均采用该施工方法，挂篮基本上已成为梁体悬臂浇筑的专用设施[1]。挂篮悬臂施工受作业面小、工序复杂烦琐等自身因素的影响，施工过程中安全风险剧增。近几年，全国各地接连出现多次挂篮施工事故，项目在施工过程中如何更好地监控挂篮结构的安全性，有效预防事故的发生显得尤为重要。

2 工程概况

石头寨特大桥1#主桥及2#主桥均为变截面预应力混凝土连续刚构桥，桥跨布置均为65 m+120 m+65 m，主桥上部结构采用挂篮悬臂现浇施工，全桥共8套挂篮，数量多，安全管理难度大，且悬浇梁段最大质量为186 t，安全风险更是成倍增加。为了更好地了解挂篮结构在作业过程中主要钢结构受力状态及工作形变状态，现决定采用挂篮结构监测系统对挂篮结构进行在线监测。

石头寨特大桥挂篮结构监测就是通过在施工现场设立的应力传感器和变形传感器对施工过程中挂篮结构关键部位的应力、位移进行现场实时跟踪测量，通过取得测量数据在后台进行计算、分析和比较来判断施工挂篮结构的状态是否和施工阶段理论目标相一致、施工挂篮结构是否处于安全状态，并根据需要对施工挂篮结构的参数和状态做出必要的调整，以保证挂篮悬臂现浇施工过程结构的安全，实现安全稳定的施工[2]。

3 施工挂篮结构监测系统

施工挂篮结构监测系统包括数据采集部分、数据通信部分、云服务器部分。数据采集部分主要是对本桥施工挂篮结构进行在线监测，每套挂篮结构安装弦式传感器10个，位移监测点2个，采集仪1台，温度传感器4个；数据通信部分包括应变计、静力水准仪、温度传感器，温度传感器使用了无线模块，通过公网与云服务器连接进行数据传输与指令下发；云服务器部分包括数据采集软件、业务层软件和前端网页，其中数据采集软件主要是通过DTU采集箱获取现场数据并存入数据库，业务层软件主要是数据统计预警，提供数据接口给前端页面，前端网页实现与用户的交互。

4 施工挂篮结构主要监测内容

石头寨特大桥采用对称悬臂浇筑施工，挂篮是悬臂施工中的主要设备，主构架系统作为挂篮的主要承重结构，在预压及施工荷载作用时，主梁的变形关乎挂篮和桥梁结构施工中的安全稳定[3]。针对本项目施工挂篮结构特点，采用静力水准仪在挂篮行走、主梁浇筑阶段和主梁张拉阶段直接监测各施工挂篮顶部前段主要点的形变；选用表贴式钢弦应变传感器、智能型钢弦式记忆智能数码应变计、无应力计监测施工挂篮结构菱形架和吊带的应力数据，通过无线传输系统实时上传施工挂篮结构菱形架和吊带的应力数据，通过终端系统设定预警阈值，及时预警；选用温度传感器监测施工挂篮结构温度，避免其受力状态受结构体系温度场的影响。

5 监测工况及频次

按照施工技术的要求，对桥梁施工挂篮结构的主构架变形、应力（受力状态）、温度场进行监测，其监测的工况和频率如下：

1）挂篮安装完成后，测点布设，初始值测试；

2）挂篮前移过程，全过程实时监测；

3）主梁悬臂浇筑施工过程，挂篮结构实时监测；

4）主梁节段养护过程，挂篮结构实时监测；

5）主梁节段张拉过程，全过程实时监测；

6）挂篮结构拆除过程，对未拆除挂篮结构全过程实时监测，直至施工挂篮结构全部拆除。

6 预警机制

监测预警依据设计允许值与相关技术要求确定的预警标准值比对后发布，第一时间以短信方式通知项目总工和指定的相关负责人。项目在施工过程中，针对出现预警状态及时预警信息进行跟踪，督促协作队伍针对预警部位按照项目部制定的处置措施整改，防止预警级别升级和风险事件的发生，达到消除工程隐患且具备解除预警条件的方可消警，并对监测数据进行合理分析预测，增大监测、巡检频率，保证后续挂篮悬臂浇筑施工的安全。

7 取得的成效

在各方的共同努力和配合下，石头寨特大桥挂篮施工主要阶段均较顺利通过，挂篮监测达到了预期目标。监测得到以下结论：

1）在挂篮监测中总共发生72次预警，其中一级预警21次、二级预警51次。其中，一级预警为断电预警，二级预警为应力、位移超过警戒值预警。发生预警后项目及时分析原因，调整挂篮的受力状态，保证施工挂篮结构工作状况处于弹性范围，实际强度、刚度满足设计及规范要求。

2）监测期结构最大应力值为-126.16 MPa，小于设计值141 MPa。可见，在施工期间挂篮结构强度满足设计及GB 50017—2017《钢结构设计标准（附条文说明）》的要求。

3）监测期结构最大变形值为-16.23 mm，小于设计计算值-17 mm。可见在，施工期间挂篮结构刚度满足设计及GB 50017—2017《钢结构设计标准（附条文说明）》的要求。

综上所述，石头寨特大桥8套施工挂篮结构的工作状况处于安全弹性范围，其承载能力均满足设计要求，挂篮在施工期间工作状态处于安全可控的范围。

8 优点与不足

通过挂篮结构监测在石头寨特大桥施工中的应用，项目总结出以下优点：

1）在形变控制方面，通过对桥梁施工挂篮结构实施前端形变监测，挂篮结构前端在施工过程中的实际位移与预期状态之间的误差基本保持在规范允许范围之内，为项目管理人员准确掌握桥梁施工过程挂篮结构形变提供了依据，从本质上保障了挂篮施工的安全。对于个别形变超出规范值的数据，系统会第一时间向项目管理人员以信息的方式发送预警信息，项目管理人员也第一时间对预警部位采取必要措施，防止预警级别升级和风险事件的发生。

2）在应力控制方面，通过对石头寨特大桥8套挂篮主要结构的应力监测，使项目管理人员实时了解施工挂篮结构的实际应力状态，使之在允许范围之内变化，避免因挂篮结构内在质量缺陷可能导致安全事故的发生。同时，为后续挂篮悬臂浇筑施工提供了宝贵的经验，从本质上大大提高了挂篮悬臂浇筑施工的安全性。

3）在稳定性控制方面，通过实测挂篮结构的形变量和应力值以及挂篮施工稳定安全系数，从本质上保证了各阶段施工过程中挂篮结构的稳定性。同时，项目在挂篮悬浇施工中采用振弦式混凝土频率传感器及配套的频率接收仪进行应力监测，实时监测箱梁施工过程中的应力变化，确保了结构安全，在保障挂篮悬臂浇筑施工过程中起着不可替代的作用。

4）在安全控制方面，通过对石头寨特大桥施工8套挂篮结构全过程监测，项目掌握了挂篮结构在石头寨特大桥梁施工过程中和其他不定因素产生的结构内力，为后续动态施工过程采取相应措施消除这些结构内力提供了可靠的依据。

5）在数据控制方面，通过桥梁施工挂篮结构全过程监测，为优化桥梁的施工控制及安全预警提供了可靠的数据。

虽然，挂篮结构监控在石头寨特大桥上的应用取得了一定成果，但在施工过程中也暴露出来一些不足，需要进一步优化和改进：首先，是大中型桥梁施工普遍工期较长，加之测量频繁且须多点同时读数和现场测试环境较差，所以在传感器选择上尽量选择密封性好、绝缘性高以及灵敏度高的传感器，否则在施工过程中监测的数据不准确，容易发生错误预警信息；其次，是施工过程中线路布局不合理，传感器安装位置选择不当，线路易被刮断，传感器易被撞击损坏，给监测带来一定的难度。