自动化监测在桥梁满堂支架安全监控中的应用

夏 军，江 勇，孙尉恒

(1.中交路桥建设有限公司总承包分公司,北京 100000;2.北京安信卓越信息科技有限公司,北京 100085; 3.山东交通职业学院,山东 潍坊 261206)

0 引言

随着城市化进程的推进和交通需求的增长,我国的桥梁数量和规模不断增加,施工工艺也在不断改进,满堂支架法现浇预应力混凝土箱梁在桥梁工程中是一种较为常见的施工方法,应用广泛,支架在桥梁施工过程中起到了支撑梁体、控制梁体变形、便于施工操作等重要作用。作为临时的支撑结构,支架关键性往往受到忽视,缺乏对支架应变、位移等结构关键参数及时有效的监测,容易发生失稳垮塌,造成意外事故的发生,施工过程中支架的安全监控必不可少。

传统支架监测主要采用定时点人工检测的方式,通过全站仪、水准仪等仪器设备观测支架的位移沉降情况,但在实际应用场景中存在以下不足:

1)监测数据离散、不连续,无法有效反映支架的结构状况和发展趋势,而支架的失稳垮塌往往是突发性的。2)施工过程中满堂支架布置密集,现场通视条件较差,不适合光学设备使用[1]。3)人工检测方式受时间和空间的限制,恶劣天气下难以开展。4)检测数据需要后期人工处理,无法第一时间得到结构信息。

当前,自动化监测技术快速发展,在桥梁工程中得以广泛应用,但结构健康监测系统通常更加关注运营期间的安全状况,本文将通过自动化监测在某桥梁施工期间满堂支架的实际应用,阐述支架安全监测的系统组成、实施过程以及对于保障施工安全发挥的作用。

1 项目背景

某城市道路现浇桥梁施工项目,位于石家庄市北部片区,其中某立交匝道桥共7联20跨,上部结构采用预应力混凝土现浇箱梁,标准段宽度采用10.5 m,梁高1.9 m;下部结构桥墩采用柱式墩、板墩,桥台采用柱式。

现浇梁施工采用满堂支架法,支架采用盘扣式钢管支架,钢管支架选用承插型盘扣式钢管支架A类(60系列),支架搭设采用以下方式:

1)模板15 mm木胶板;2)横向分配梁8 cm×8 cm方木,正常段间距20 cm,箱梁端头及横梁实心段位置加密至10 cm;3)纵向主梁12号工字钢;4)立柱为60 cm×3.2 cm盘扣支架,横向腹板肋板下间距60 cm,箱室翼缘板间距第一联、第二联、第三联、第四联为0.9 m～1.2 m,第五联、第六联、第七联为1.2 m;支架纵向间距第七联为1.5 m,其余为1.2 m,端横梁及墩柱位置调整为90 cm,60 cm;5)地基处理:清表30 cm,碎石垫层20 cm,混凝土C25垫层20 cm,地基承载力不小于160 kPa,否则水泥土换填。

匝道桥第五、六联满堂支架布置如图1所示。

项目建设过程中,考虑到满堂支架在预压和混凝土浇筑过程中,由于荷载变化,混凝土振捣以及施工操作不规范等不确定因素的影响,容易产生结构变形,如变化过大会引发支架倾覆。为及时反映满堂支架的变化情况,预防事故的发生,综合多因素考虑,针对满堂支架的沉降、倾斜以及应力状况开展自动化监测。

2 监测系统平台概述

2.1 系统架构

自动化监测系统是通过智能传感器采集结构物的环境与荷载作用、受力与变形情况等参数,将数据传输到监测平台进行存储和分析,平台将数据进行可视化的呈现并根据数据情况做出相应的告警,以达到实时在线监测功能的实现。自动化监测系统架构包含感知层、网络层、平台层以及应用层,如图2所示。

2.2 平台功能

本项目采用“知物云”监测系统,该平台在结构自动化监测领域应用相对较广,功能较为完备,能够将大量的结构健康数据进行有效管理、直观展示和深入分析,以支持用户对结构状态的评估、决策和维护。

2.2.1 数据的存储、分析和呈现

平台实时获取传感器采集的结构位移、应力、振动等数据,并提供取中值、滤波、加权滑动平均等算法工具,对数据预处理,提取关键信息,以图表形式显示实时监控的数据,也可调取或下载历史数据,或者对不同时间、不同测点的数据进行对比、关联分析和呈现。

2.2.2 预警通知

平台通过设定预警阈值,用于确定何时结构健康数据超过了正常范围并被视为潜在风险,当监测到结构异常或潜在的安全隐患时,系统第一时间进行预报警,报警可通过实时界面提示或者以短信、邮件、微信的形式推送,确保相应负责人及时知晓结构的异常情况。

2.2.3 报表生成

平台可将系统自动或者人工分析的数据结果导出,定期自动生成各类型报表,可随时查看下载各个时期的报表文件,节省后期用于数据整理的人力投入,同时可对某一时间段内的数据按照不同方式取特征值,方便海量数据下直观了解结构的变化情况。

3 监测实施方案

3.1 监测目的

1)确保满堂支架的搭设质量。2)掌握满堂支架在预压和梁体浇筑过程中的变化情况。3)及时反映满堂支架异常情况,确保施工过程中结构的安全。4)为梁体预拱度预留值合理性检验提供参考。

3.2 监测内容

根据专项施工方案并参考相关规范,为有效判断支架安全状况,对支架的受力、变形情况开展监测,具体监测内容及设备如表1所示。

表1 监测内容及设备

3.3 测点布设

综合考虑不同搭建方式下脚手架立柱的长细比和稳定性验算结果,支架应变、沉降监测测点布置在每跨墩台附近的支架底部,支架倾斜监测测点选在支架高度1/3位置处布设,各测点沿支架宽度方向布设在最外侧墩台和跨中附近的支架上。匝道桥某一跨的监测点位布设如图3所示。

3.4 设备安装

1)应力应变监测选用表面式应变计,采用振弦原理,当被测结构物的应变发生变化时,应变计两端安装支座产生相对位移并传递给钢弦,使钢弦受力发生变化,从而改变钢弦的固有频率,通过线圈激振钢弦并检测出线圈所感应信号的频率,振动频率的平方正比于应变计的应变,经换算得到被测结构物的应变量。2)沉降监测选用静力水准仪,采用连通器原理,通过测量每个测点液位变化的高度来计算沉降量。3)倾斜监测选用盒式固定测斜仪,通过内部倾斜传感器测量地球的重力加速度在X轴、Y轴上的分量来对倾角进行测量。

这三款传感器在结构监测领域应用广泛,技术相对成熟,具有测量精度高、稳定性好以及安装和维护便捷等优点。数据的采集传输选用分布式数据采集节点,该设备内部集成了振弦传感器以及 RS485 类传感器的测量电路,可实现多参数采集、数据无线传输,外置太阳能电池板提供长期的续航能力,适应支架这类接电复杂的户外场景。现场实际监测设备如图4所示。

4 监测数据说明

4.1 应变监测数据

满堂支架立杆应变监测数据如图5所示。

根据应力应变计算公式:

σ=Eε

(1)

其中,σ为钢管立柱应力;E为钢管的弹性模量,E=206 GPa;ε为钢管的应变值。

由图5可知监测周期内支架立杆均受压且各监测点位应力应变变化趋势基本一致,最大应变值εmax=163.78 με,得出最大应力σmax=33.74 MPa,远小于钢管的许用应力[σ]=300 MPa,支架稳定安全。

4.2 变形监测数据

1)满堂支架沉降监测数据如图6所示,监测周期内沉降监测基准点的竖向位移相对恒定,中途发生一次突变,分析原因为受现场施工人员和机械设备扰动影响。各沉降监测测点数据变化幅度较小,支架竖向位移无明显变动。2)满堂支架倾斜监测测点数据如图7所示,监测周期内立杆角度基本保持不变,支架未发生明显倾斜。

满堂支架在此监测周期内变形状况在可控范围内,满足安全要求。

5 结论

通过在桥梁满堂支架安全监控中引入自动化监测手段,可得出以下结论:

1)满堂支架在桥梁施工浇筑过程中正常工作,其构件变形及应力均未出现异常情况。监测周期内满堂支架监测点位的应变均小于设计值,立杆的安全储备较高,且未发生明显形变,支架结构安全、可靠。

2)工程实践表明自动化监测具有操作便捷性、测量准确性、数据连续性、预警及时性等优势[2-3]。自动化监测基本不受时间和空间因素的影响,适用于满堂支架这类不利于人工开展测量工作的狭窄环境,并可实时监控支架的受力变形情况,数据异常可及时预警[4],准确掌握支架结构的运行状况,有效保障现场人员的安全,具有一定的推广应用价值。

当前自动化监测在支架等临时设施中的应用仍在初步阶段,相关的行业标准及规范尚不健全,监测因素和监测点位的确定以及预警阈值的设置没有明确参照依据,对于结构的安全评价标准差异较大。此外,自动化监测得到的海量数据缺乏有效的利用,需要行业内专家进一步的挖掘分析[5],结合实际工程案例,将监测大数据应用于传感器优化布置、结构模态与模型修正、结构灾变分析与损伤溯源、结构健康状况评估与服役年限预测等更多场景[6],推动基建领域数字化的发展。