李夢(mèng)晨,趙瑜隆*，董飛，高培成，趙之仲

1.山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357；2.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200120；3.山東省路橋集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014

0 引言

貝雷梁支架結(jié)構(gòu)簡單，力學(xué)性能穩(wěn)定，施工簡便，安全可靠，可重復(fù)利用，是整體現(xiàn)澆連續(xù)箱梁施工中的主要支撐結(jié)構(gòu)[1-4]，廣泛應(yīng)用于橋梁建設(shè)中[5]。貝雷梁支架的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及變形直接影響混凝土澆筑過程中的施工安全[6]，導(dǎo)致實(shí)際橋梁工程中因支架失穩(wěn)坍塌發(fā)生重大安全事故。因此，對(duì)貝雷梁支架穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警成為當(dāng)前橋梁工程施工安全問題的主要研究方向。

我國對(duì)貝雷梁支架的穩(wěn)定性展開了廣泛研究。李自林等[7]采用Midas Civil軟件建立空間有限元模型,計(jì)算和分析貝雷梁支架穩(wěn)定性；趙常煜[8]采用ANSYS軟件評(píng)估貝雷梁支架的穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)的承載力；趙常煜[9]通過在關(guān)鍵截面的鋼管上布設(shè)外貼式鋼弦應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)鋼管應(yīng)變變化，判斷貝雷梁支架的穩(wěn)定性；周筆劍[10]采用TCQN-5A型橋梁撓度測(cè)試儀對(duì)支架豎向撓度實(shí)現(xiàn)二維測(cè)量；鐘勝華等[11]基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了一種貝雷梁橋位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可監(jiān)測(cè)貝雷梁最大豎向撓度。

目前對(duì)貝雷梁穩(wěn)定性的分析大多基于有限元模型，未將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際工程結(jié)合，監(jiān)測(cè)貝雷梁穩(wěn)定性的手段單一，監(jiān)測(cè)頻率較低，監(jiān)測(cè)對(duì)象局限于平面應(yīng)力、應(yīng)變或豎向位移，無法測(cè)得三維空間內(nèi)貝雷梁的變形數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定預(yù)警閾值，無法及時(shí)對(duì)貝雷梁的失穩(wěn)、坍塌等做出預(yù)警，不能保障施工人員和在建橋梁的安全。

本文將內(nèi)置陀螺儀的9軸姿態(tài)角度傳感器安裝在相應(yīng)的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用傳感器實(shí)時(shí)傳輸?shù)慕俏灰瓶焖佟⒈憬?、高效地反饋支架變形在時(shí)空域的分布。通過對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，提出貝雷梁支架穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，據(jù)此建立貝雷梁失穩(wěn)預(yù)警體系，避免發(fā)生支架坍塌等安全事故。

1 貝雷梁豎向變形的數(shù)值模擬

1.1 工程背景

某高速公路項(xiàng)目共設(shè)11條匝道、1條連接線，本文研究的貝雷梁支架是互通C匝道3#橋第1孔現(xiàn)澆箱梁混凝土施工時(shí)的臨時(shí)設(shè)施。

貝雷梁采用條形擴(kuò)大基礎(chǔ)、大直徑鋼管立柱(直徑為630 mm)和貝雷梁支架設(shè)計(jì)，鋼筋立柱之間采用槽鋼橫聯(lián)，在橫聯(lián)間設(shè)剪刀撐槽鋼連接，在每排鋼管柱頂部設(shè)雙拼I36a工字鋼作為枕梁，2根工字鋼沿拼接縫焊接[12]，在橫向工字鋼頂面架設(shè)貝雷梁作為縱向主梁，縱向貝雷梁上部沿橋橫向設(shè)置I12.6工字鋼分配梁，在橫向工字鋼分配梁上安裝底托搭設(shè)碗扣支架作為脫模構(gòu)件，貝雷梁頂部采用外徑48 mm，壁厚3.5 mm碗扣式滿堂式支架，如圖1所示。

a)橫斷面 b) 立面圖1 貝雷梁支架示意圖

由圖1可知貝雷梁支架具有一定的對(duì)稱性，因此在后續(xù)的數(shù)值分析及數(shù)據(jù)處理中，僅取此貝雷梁支架的前半部分進(jìn)行研究。

1.2 有限元模擬

1.2.1 貝雷梁有限元模型

采用Midas-Civil軟件建立支架有限元模型，采用梁單元形式模擬支架在實(shí)際荷載中的荷載效應(yīng)[13-14]，所建模型如圖2、3所示。

圖2 貝雷梁立面模型

圖3 支架模型

1.2.2 貝雷梁變形

1.2.2.1 主要計(jì)算參數(shù)

數(shù)值模擬所需材料參數(shù)見表1。施工人員、施工料具運(yùn)輸、堆放及模板面荷載均為2.5 kN/m2。

表1 數(shù)值模擬材料參數(shù)

1.2.2.2 貝雷梁支架變形

根據(jù)材料參數(shù)、荷載參數(shù)等，計(jì)算模板及支架等的自質(zhì)量、新澆鋼筋混凝土質(zhì)量荷載，以及施工人員、施工料具運(yùn)輸、堆放荷載等現(xiàn)澆梁施工過程中支架所需承受的荷載，利用Midas計(jì)算得到貝雷梁支架變形圖，如圖4所示。

圖4 貝雷梁變形模型

由圖4可知：現(xiàn)澆箱梁施工過程中貝雷梁發(fā)生明顯豎向變形。由Midas-Civil軟件計(jì)算可得，2根鋼筋立柱間的跨中位置產(chǎn)生最大豎向位移為14.88 mm。

2 傳感器

2.1 9軸姿態(tài)角度傳感器

采用9軸姿態(tài)角度傳感器，其數(shù)字濾波技術(shù)能有效降低測(cè)量噪聲，提高測(cè)量精度。傳感器內(nèi)部集成了高精度陀螺儀、加速度計(jì)、地磁場(chǎng)傳感器等，采用高性能的微處理器配合動(dòng)力學(xué)解算與卡爾曼動(dòng)態(tài)濾波算法，可快速求解當(dāng)前的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)[15]。高精度陀螺儀具有定軸性和進(jìn)動(dòng)性：定軸性使陀螺儀在高速旋轉(zhuǎn)中具有動(dòng)量矩H，不受外力矩作用，自轉(zhuǎn)軸沿相對(duì)慣性空間保持方向不變；進(jìn)動(dòng)性使陀螺儀能夠檢測(cè)旋轉(zhuǎn)軸在加速度作用下產(chǎn)生的夾角，結(jié)合加速度的變化精確定位三維坐標(biāo)下物體的位置。陀螺儀的集成使得9軸姿態(tài)角度傳感器能夠穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，以1 min為監(jiān)測(cè)間隔，全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)三維坐標(biāo)內(nèi)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的角位移，反映支架變形在時(shí)空域的分布，為支架預(yù)警提供數(shù)據(jù)。

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)

為防止支架失穩(wěn)坍塌，根據(jù)豎向變形的位置分別在2個(gè)鋼筋立柱柱頂、2個(gè)跨中位置布置測(cè)點(diǎn)，并在貝雷梁相應(yīng)位置安裝傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)施工過程中貝雷梁支架的變形。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示(圖上1、2、3、4位置)。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形結(jié)果如表2所示。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

表2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向及順橋向變形> mm

由表2可知：連續(xù)2次澆筑后，每個(gè)測(cè)點(diǎn)在豎向及順橋向方向均產(chǎn)生不同程度的變形，貝雷梁支架的豎向變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于順橋向變形，因此主要研究豎向變形，順橋向變形可忽略不計(jì)。測(cè)點(diǎn)2即2鋼筋立柱跨中位置豎向變形最大，且遠(yuǎn)大于其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向變形。將跨中位置2視為整個(gè)貝雷梁支架最脆弱點(diǎn)，并將測(cè)點(diǎn)2作為貝雷梁豎向變形的代表位置進(jìn)行分析。

根據(jù)圖5所示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置，在某高速公路項(xiàng)目C匝道3#橋第1孔貝雷梁支架相應(yīng)位置安裝傳感器，結(jié)合圖4及表2，在貝雷梁支架最脆弱點(diǎn)安裝2#傳感器，其兩側(cè)分別安裝1#、3#傳感器。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

在連續(xù)箱梁支架現(xiàn)澆施工中，從支架預(yù)壓開始到混凝土澆筑完成[16-17]各環(huán)節(jié)的施工時(shí)間均大于24 h，而9軸姿態(tài)角度傳感器監(jiān)測(cè)間隔為1 min，僅能反映貝雷梁支架的微觀變形，無法體現(xiàn)宏觀上的變形。因此，在連續(xù)箱梁支架現(xiàn)澆施工中，以24 h為監(jiān)測(cè)頻率，分析貝雷梁上各傳感器反饋的角位移。根據(jù)9軸姿態(tài)角度傳感器的監(jiān)測(cè)頻率，每分鐘可實(shí)時(shí)反饋1個(gè)角位移，1#傳感器監(jiān)測(cè)的部分角位移見表3。

表3 不同時(shí)刻1#傳感器的角位移 °

根據(jù)Midas的數(shù)值模擬結(jié)果，貝雷梁在豎直方向發(fā)生較大變形，其他方向的變形遠(yuǎn)小于豎向變形。本文研究貝雷梁豎向變形及傳感器的前后動(dòng)態(tài)。

角位移通過換算可得貝雷梁的豎向變形。計(jì)算原理如圖6所示，計(jì)算公式為

圖6 豎向變形計(jì)算示意圖

y=atan(Δθ)，

(1)

式中：y為橋梁撓度，a為傳感器至跨中距離，Δθ為傳感器所測(cè)角位移變化。

根據(jù)貝雷梁最脆弱點(diǎn)左/右任一傳感器的角位移換算得其豎向變形，結(jié)果如表4所示。

表4 貝雷梁的豎向變形

由表4可知：換算得到的最大豎向變形為14.90 mm，與Midas數(shù)值模擬計(jì)算得到的最大變形14.88 mm非常接近。因此，可根據(jù)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得的角位移，利用式(1)得到精確的豎向變形。

4 貝雷梁穩(wěn)定性預(yù)警體系

采用9軸姿態(tài)角度傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空間范圍內(nèi)貝雷梁的角度變化，利用變形公式可以計(jì)算得到貝雷梁的相應(yīng)變形。根據(jù)規(guī)范設(shè)置預(yù)警閾值，通過比對(duì)閾值與實(shí)際變形，對(duì)貝雷梁的過度變形進(jìn)行預(yù)警，防止支架坍塌等安全事故的發(fā)生[18]。

4.1 預(yù)警閾值

根據(jù)文獻(xiàn)[19]可知箱梁的最大撓度為L/400(L為梁的計(jì)算跨度)，本箱梁的最大豎向變形不能超過L/400即28.15 mm，由式(1)根據(jù)極限豎向變形28.15 mm推算得出極限角位移為±0.286 5 °，即傳感器所測(cè)極限角位移動(dòng)態(tài)變化為±0.286 5 °。因此，將貝雷梁穩(wěn)定性預(yù)警閾值設(shè)為±0.286 5 °。

4.2 預(yù)警系統(tǒng)

根據(jù)預(yù)警閾值建立預(yù)警系統(tǒng)。預(yù)警系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)2部分[20]。其中硬件系統(tǒng)包括9軸姿態(tài)角度傳感器系統(tǒng)及警報(bào)系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及變形監(jiān)測(cè)平臺(tái)[21-22]。安裝在貝雷梁上的傳感器將實(shí)時(shí)檢測(cè)的角位移反饋到主控室的計(jì)算機(jī)，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算得到角位移動(dòng)態(tài)差，并與預(yù)警閾值0.286 5 °進(jìn)行比較，可以判斷某時(shí)刻貝雷梁的變形是否存在失穩(wěn)坍塌的危險(xiǎn)。一旦角位移動(dòng)態(tài)變化無限接近預(yù)警閾值[23-25]，主控室內(nèi)的計(jì)算機(jī)立即啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，提醒現(xiàn)場(chǎng)安全員注意貝雷梁支架的變形，及時(shí)調(diào)整作業(yè)或?qū)⒂嘘P(guān)施工機(jī)具及人員撤離施工現(xiàn)場(chǎng)，防止安全事故的發(fā)生[26]。

5 結(jié)論

1)采用Midas對(duì)貝雷梁支架的變形進(jìn)行數(shù)值分析，計(jì)算貝雷梁在荷載作用下的豎向變形及順橋向變形，但計(jì)算結(jié)果理想化，不能準(zhǔn)確反映貝雷梁在實(shí)際工程中的受力情況與實(shí)際荷載作用下的變形。

2)集成陀螺儀的9軸姿態(tài)傳感器能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有支架變形監(jiān)測(cè)設(shè)備的缺點(diǎn)，測(cè)得三維空間內(nèi)的角位移，方便、快速、高效、實(shí)時(shí)地反饋支架變形在時(shí)空域內(nèi)的分布。

3)將傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量的角位移，根據(jù)橋梁變形公式換算后得到豎向變形，將其與Midas數(shù)值模擬后的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可反映貝雷梁支架的變形。

4)設(shè)置預(yù)警閾值與支架失穩(wěn)警報(bào)系統(tǒng)，能夠在貝雷梁支架失穩(wěn)坍塌前及時(shí)預(yù)警，減少安全事故發(fā)生率，保護(hù)施工人員及橋梁安全。