鋼板組合梁橋鋼梁架設(shè)施工安全監(jiān)測(cè)方法研究

荊偉偉，楊智敏，嚴(yán)水龍，劉旭政

(1.嘉善縣交通運(yùn)輸局，浙江 嘉興 314100；2. 嘉興市卓越交通建設(shè)檢測(cè)有限公司， 浙江 嘉興 314001；3.華東交通大學(xué)， 南昌 330013)

0 引 言

鋼板組合梁橋具有結(jié)構(gòu)受力合理、經(jīng)濟(jì)性能良好、施工快速方便等優(yōu)點(diǎn)，隨著設(shè)計(jì)水平、施工設(shè)備及管養(yǎng)技術(shù)的提高，鋼板組合梁橋成套技術(shù)也日漸成熟。然而在實(shí)際工程中，鋼板組合梁橋施工過程中尚存在一些風(fēng)險(xiǎn)因素，極端荷載作用、支撐邊界及鋼梁安裝狀態(tài)不利因素都可能導(dǎo)致鋼板梁施工存在強(qiáng)度、穩(wěn)定或傾覆等安全問題。

關(guān)于鋼梁穩(wěn)定問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。Weston在考慮鋼梁局部失穩(wěn)和初始變形影響的前提下，對(duì)連續(xù)組合梁進(jìn)行了有限元分析[1]；Yang B等[2]研究了在均布荷載和集中荷載作用下高性能Q460工字鋼的側(cè)扭失穩(wěn)；郭彥林等[3]研究了考慮平面外初始幾何缺陷及殘余應(yīng)力的工字梁整體穩(wěn)定性；劉芳平等[4]研究了鋼-混凝土組合懸臂梁施工穩(wěn)定性分析；龔翔箭[5]采用Abaqus有限元軟件對(duì)3×35m雙主梁鋼板組合連續(xù)梁施工階段的穩(wěn)定安全性進(jìn)行了參數(shù)分析，并提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。此外，部分學(xué)者也開展了鋼混組合梁橋施工過程及成橋后的受力性能的相關(guān)研究[6-8]。鋼板組合連續(xù)梁橋在鋼梁架設(shè)施工過程中會(huì)存在支撐邊界條件變化，以及承受自重、風(fēng)荷載、溫度荷載、強(qiáng)迫拼裝等一種或幾種荷載組合作用，鋼梁存在安全風(fēng)險(xiǎn)，甚至可能造成嚴(yán)重工程事故[9]。因此，有必要在施工階段對(duì)鋼梁安全進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

本文在梳理鋼板組合連續(xù)梁橋施工過程的基礎(chǔ)上，分析了影響施工安全的各風(fēng)險(xiǎn)因素，進(jìn)而提出了一種鋼梁架設(shè)施工階段的安全監(jiān)測(cè)方法。將該監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用于背景工程，通過對(duì)關(guān)鍵截面應(yīng)力和變形的監(jiān)測(cè)，保障了鋼板組合橋梁的施工安全。

1 背景工程及有限元模型

1.1 工程概況

以浙江省某改(擴(kuò))建工程項(xiàng)目上的鋼板組合連續(xù)梁橋?yàn)槔瑯蛄嚎鐝綖?35+55+35)m。橋面寬27m，鋼梁中心線梁高均為2.4m，主梁間距為4m，共7片鋼梁，鋼主梁采用Q355C工字型直腹板鋼梁，混凝土橋面板和鋼主梁通過剪力釘連接，跨內(nèi)橫梁為小橫梁，支點(diǎn)橫梁為加強(qiáng)大橫梁，橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距為4m。鋼主梁通過預(yù)制拼裝施工，主梁節(jié)段、主梁與橫梁之間均采用栓焊結(jié)合連接。橋面板采用現(xiàn)澆C50鋼筋砼結(jié)構(gòu)，板厚0.25m，加腋位置0.3m。橋面鋪裝采用10cm厚瀝青砼。設(shè)計(jì)荷載為公路-I級(jí)，設(shè)計(jì)行車速度為80km/h。主梁斷面圖如圖1所示。

圖1 背景工程主梁橫斷面圖

1.2 鋼梁施工過程

背景工程鋼板梁橋采用起吊機(jī)架設(shè)施工，架設(shè)前全橋共劃分為5個(gè)節(jié)段，如圖2(a)所示，其中節(jié)段跨度最大為28m。鋼梁施工過程中處于簡(jiǎn)支狀態(tài)，以A1段為例，如圖2(b)所示。

介紹各節(jié)段施工過程。

圖2 主梁節(jié)段劃分示意圖

在施工過程中，主梁吊裝順序?yàn)椋篈1-3#→A1-2#→A1-1#→A1-4#→A1-5#→A1-6#→A1-7#。吊裝第一片主梁時(shí)，即A1-3#，采用300t、200t起吊機(jī)分別從梁兩端進(jìn)行同步起吊至鋼梁設(shè)計(jì)位置處，并調(diào)整鋼梁下翼緣板的中心線和支座中心線重合放置。此時(shí)，A1-3#兩端邊界支撐為橋墩蓋梁處為雙向滑動(dòng)支座，另一端為完全固定。在吊裝完A1-3#梁和A1-2#梁后，再吊裝其間兩端的端橫梁并進(jìn)行栓釘錨固。按此吊裝過程，將7片主梁及主梁間兩端的端橫梁吊裝完成。最后再由兩端向中間吊裝各主梁間的跨內(nèi)小橫梁，并形成A1節(jié)段鋼梁框架。

1.3 有限元模型

全橋主梁采用Q355C鋼材，模型中彈性模量E=2.0×105MPa，屈服應(yīng)力=295MPa。采用Abaqus建立吊裝過程有限元模型，由于僅關(guān)注施工階段，故僅需建立工字鋼主梁模型。鋼主梁采用S4R四節(jié)點(diǎn)薄殼單元進(jìn)行模擬，梁端約束定義與實(shí)際布置的支座形式相同。根據(jù)實(shí)際施工階段，采用軟件中MODEL CHANGE模塊來實(shí)現(xiàn)對(duì)單元的“激活”與“鈍化”，以此實(shí)現(xiàn)施工過程鋼梁的拼裝，并對(duì)每一施工階段的鋼梁施加邊界和荷載，建立了全橋施工過程有限元模型，其中C段吊裝完成模型如圖3所示。

2 鋼板梁施工安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋼梁架設(shè)施工過程中，在各種荷載組合作用下可能發(fā)生強(qiáng)度、穩(wěn)定性及傾覆問題，安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)基于這三類問題建立鋼梁危險(xiǎn)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)斷面及確定預(yù)警值。同時(shí)，在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及相關(guān)信息應(yīng)可實(shí)時(shí)通過云平臺(tái)發(fā)送至指定的客戶端，包括手機(jī)端，PC端及大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)等。

2.1 施工過程安全控制問題

2.1.1 構(gòu)件或結(jié)構(gòu)承載能力

在鋼板梁施工階段，承載力計(jì)算應(yīng)包括永久恒載、施工恒載、施工活載(施工人員、橋面板澆筑器械等)、風(fēng)荷載和任何其他可能承受的荷載，荷載組合應(yīng)采用基本組合，并滿足式(1)要求：

γ0Sd≤Rd

(1)

式中：γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；Sd—作用組合的效應(yīng)(如軸力、彎矩或表示幾個(gè)軸力、彎矩的向量)設(shè)計(jì)值；Rd—結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計(jì)值。

2.1.2 穩(wěn)定性分析

鋼梁的穩(wěn)定性可以分為整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性。整體失穩(wěn)破壞是指作用在結(jié)構(gòu)上的外荷載尚未達(dá)到按材料強(qiáng)度計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)破壞荷載時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)偏離原來的平衡位置進(jìn)而可能倒塌。鋼結(jié)構(gòu)在失穩(wěn)過程中，變形是迅速持續(xù)增長的，結(jié)構(gòu)將在很短時(shí)間內(nèi)破壞甚至倒塌。對(duì)于受彎鋼梁，在荷載作用下構(gòu)件可能突然偏離原來彎曲變形平面，而發(fā)生側(cè)向撓曲和扭轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為整體失穩(wěn)。整體穩(wěn)定計(jì)算主要依賴于構(gòu)件的整體狀況，如端部約束條件、支撐間長度及荷載沿構(gòu)件分布等。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017)[10]，受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定性應(yīng)按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：Mx—繞強(qiáng)軸作用的最大設(shè)計(jì)彎矩值；Wx—按受壓最大限位確定的鋼梁毛截面模量；Ψb—鋼梁整體穩(wěn)定系，具體計(jì)算可參見文獻(xiàn)[10]附錄C；fd—鋼梁材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

局部失穩(wěn)是指結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在保持整體穩(wěn)定的條件下，結(jié)構(gòu)中的局部構(gòu)件或構(gòu)件中的板件已不能承受外荷載的作用而失去穩(wěn)定。在荷載作用下，鋼梁翼緣或腹板可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)，表現(xiàn)為波浪狀的鼓曲變形。這種失穩(wěn)雖不直接降低結(jié)構(gòu)的承載能力，但有可能誘發(fā)結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)，進(jìn)而間接影響結(jié)構(gòu)的承載能力。

對(duì)于鋼板組合梁施工階段，穩(wěn)定性分析是評(píng)價(jià)施工期間安全性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其分析類型通常包括特征值屈曲分析和后屈曲分析(非線性)，可采用Abaqus軟件建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算獲得。

2.1.3 抗傾覆計(jì)算

《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64-2015)[11]中規(guī)定對(duì)于上部結(jié)構(gòu)采用整體式截面的梁橋在持久狀況下結(jié)構(gòu)體系不應(yīng)發(fā)生改變，并應(yīng)按下列規(guī)定驗(yàn)算橫橋向的抗傾覆性能：在作用基本組合下，單向受壓支座始終報(bào)出受壓狀態(tài)；當(dāng)整聯(lián)只采用單向受壓支承時(shí)，應(yīng)符合式(3)要求：

(3)

式中：Kqf—橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，取2.5；∑Sbk,i—使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用基本組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；∑Ssk,i—使上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的作用基本組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值。

然而，在鋼梁安裝過程中，支撐約束不足時(shí)，當(dāng)鋼梁受到不利荷載作用(如側(cè)向風(fēng)荷載)，或曲梁起吊過程中產(chǎn)生較大扭轉(zhuǎn)荷載時(shí)，可能發(fā)生傾覆的危險(xiǎn)。對(duì)于采用橡膠支座支承的直線鋼梁安裝過程，其傾覆危險(xiǎn)一般發(fā)生在單梁狀態(tài)(簡(jiǎn)支)，如圖4所示。

圖4 單梁傾覆計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.2 關(guān)鍵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算

在A1節(jié)段簡(jiǎn)支吊裝階段，單主梁在不利荷載作用下三類問題分析時(shí)的變形如圖5所示。根據(jù)不同分析工況下的計(jì)算結(jié)果，獲取三類問題分析下鋼梁最大應(yīng)力及位移值。此處以穩(wěn)定計(jì)算分析為例，單主梁時(shí)一階屈曲模態(tài)為整體失穩(wěn)，主要體現(xiàn)為跨中位置的側(cè)向失穩(wěn)，如圖5(c)所示。結(jié)合鋼梁一階失穩(wěn)模態(tài)，利用Abaqus軟件中的risk分析，引入一階失穩(wěn)模態(tài)的初始缺陷，得出在均布荷載作用下(在模型中反算成上翼緣承受的壓強(qiáng)進(jìn)行加載)鋼梁的荷載-位移(側(cè)向)曲線如圖6所示?？梢钥闯?，在鋼梁到達(dá)極限荷載后，荷載減小，位移繼續(xù)增大，此時(shí)鋼梁強(qiáng)度逐漸降低達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)，在實(shí)際施工過程中，為防止此狀態(tài)的發(fā)生，需要在鋼梁達(dá)到極限荷載前發(fā)出預(yù)警，停止施工找到鋼梁位移異常的原因。

圖5 各極限狀態(tài)下鋼梁變形圖

圖6 鋼梁荷載-位移曲線

2.3 監(jiān)測(cè)斷面及預(yù)警值

鋼梁架設(shè)施工過程中，根據(jù)強(qiáng)度、穩(wěn)定及傾覆極限狀態(tài)下計(jì)算出關(guān)鍵截面的極限應(yīng)力及位移值。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)考慮到安全性，警戒值取為計(jì)算極限應(yīng)力和位移值的70%。基于三類問題的分析結(jié)果，1.2節(jié)中28m吊裝梁段監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器安裝斷面確定為鋼梁跨中斷面和1/4L斷面，安裝主梁選取更容易發(fā)生屈曲的邊梁位置。

其中，跨中斷面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)為4個(gè)，位移測(cè)點(diǎn)1個(gè)，如圖7(a)所示；1/4L斷面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)2個(gè)，位移測(cè)點(diǎn)1個(gè)，如圖7(b)所示。跨中斷面1#測(cè)點(diǎn)應(yīng)力預(yù)警值為230MPa，腹板位移預(yù)警值為13.8mm；1/4L斷面1#測(cè)點(diǎn)應(yīng)力預(yù)警值為210MPa，腹板位移預(yù)警值為15mm。

圖7 各斷面元件布置

2.4 在線監(jiān)測(cè)云平臺(tái)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作過程中，若采取傳統(tǒng)有線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，則數(shù)據(jù)整理工作量較大，且過長的線纜易影響鋼板組合梁橋施工，本鋼板梁施工安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依托長沙金碼智慧監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，以無線采集的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和整理，大幅度提高了數(shù)據(jù)采集效率且不影響實(shí)際施工。云平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)，可接入不同類型、不同型號(hào)的硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)過濾、高效分析、復(fù)雜統(tǒng)計(jì)和及時(shí)推送。

當(dāng)關(guān)注的監(jiān)測(cè)元件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)定的警戒值時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用多渠道分級(jí)推送報(bào)警信息，設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)也會(huì)向管理人員推送設(shè)備異常信息。

3 鋼板梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 監(jiān)測(cè)元件安裝

現(xiàn)場(chǎng)選取鋼梁28m吊裝節(jié)段的跨中及L/4斷面為測(cè)試斷面。在節(jié)段跨中安裝4個(gè)應(yīng)力計(jì)，L/4截面安裝2個(gè)應(yīng)力計(jì)。應(yīng)力計(jì)選用長沙金碼的JMZX-212HAT表面型弦式應(yīng)變計(jì)，元件測(cè)量精度為1με。為了保證測(cè)試應(yīng)變值為絕對(duì)值，應(yīng)力計(jì)均在鋼梁吊裝之前零應(yīng)力狀態(tài)時(shí)安裝就位。

激光位移計(jì)在節(jié)段跨中和L/4截面各安裝1個(gè)，安裝于鋼梁腹板上部?jī)?nèi)側(cè)位置，通諾測(cè)試相鄰鋼主梁腹板間距變化來獲取測(cè)點(diǎn)的橫向位移大小。激光位移計(jì)選用長沙金碼的JMCD-90測(cè)距儀，精度為0.1mm。位移計(jì)在鋼梁吊裝就位后進(jìn)行安裝。

所有測(cè)試元件均通過導(dǎo)線連接至多通道自動(dòng)采集系統(tǒng)。通過一個(gè)主機(jī)模塊和多個(gè)擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)測(cè)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和上傳功能。

3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證

在施工過程中，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得同側(cè)1#、3#、5#、6#測(cè)點(diǎn)溫度、應(yīng)力變化如圖8～圖9所示：

圖8 測(cè)點(diǎn)24小時(shí)溫度變化

圖9 測(cè)點(diǎn)24小時(shí)應(yīng)力變化

將溫度場(chǎng)測(cè)試得到的11時(shí)、13時(shí)、15時(shí)溫度梯度通過施加預(yù)定義場(chǎng)的方式加載到Abaqus有限元模型中，得到邊主梁跨中位置的理論應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力對(duì)比如表1所示。

表1 跨中應(yīng)力對(duì)比

由表1可知，實(shí)測(cè)應(yīng)力與有限元理論應(yīng)力最大誤差為26.69%，頂板應(yīng)力平均誤差為12.97%，底板應(yīng)力平均誤差為16.83%?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值吻合較好，表明建立的有限元模型能較好地模擬日照強(qiáng)烈時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，可對(duì)極端溫度荷載下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬計(jì)算，預(yù)測(cè)鋼板梁在極端天氣下的結(jié)構(gòu)性能。同時(shí)可以通過現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)力、位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)評(píng)估結(jié)構(gòu)安全并提前預(yù)警，保障鋼板梁橋施工安全。

3.3 在線監(jiān)測(cè)結(jié)果

背景工程現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵施工時(shí)間如下：6月12日～6月20日期間主要進(jìn)行鋼梁架設(shè)拼接施工；6月20日后鋼梁拼接完成，拆除臨時(shí)支架；7月20日開始進(jìn)行橋面板施工。

3.3.1 溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

1#測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)如圖10所示。在未澆筑橋面板時(shí)鋼梁溫度受日照影響劇烈，晝夜溫差起伏較大。7月10日，測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生最高溫度53℃；澆筑橋面板后，鋼梁溫度受日照影響減弱，溫度變化較為平穩(wěn)。

圖10 1#測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)

3.3.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

1#測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)如圖11所示。在鋼梁架設(shè)拼接施工期間，結(jié)構(gòu)受力及邊界條件逐步發(fā)生變化，此時(shí)鋼梁的應(yīng)力也隨之變動(dòng)；鋼梁拼接完成拆除臨時(shí)支架后，1#測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力明顯呈階段性增大，該施工階段最大壓應(yīng)力達(dá)到47MPa；進(jìn)入到橋面板施工階段，1#測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力繼續(xù)增大，接近70MPa；施工完成后應(yīng)力變化較為平穩(wěn)，應(yīng)力波動(dòng)主要由于日夜溫差影響。在整個(gè)鋼板梁施工階段，結(jié)構(gòu)應(yīng)力未超過預(yù)警值，結(jié)構(gòu)應(yīng)力處于安全狀態(tài)。

圖11 1#測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)

3.3.3 橫向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

施工過程中鋼梁腹板位移變化如圖12所示。在整個(gè)施工過程中，鋼梁腹板橫向位移變化較小，最大橫向位移不超過3mm，遠(yuǎn)低于預(yù)警值，結(jié)構(gòu)側(cè)向變形處于安全狀態(tài)。

圖12 實(shí)測(cè)腹板橫向位移變化數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

(1)基于鋼板梁橋施工存在的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及傾覆風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算了三種臨界狀態(tài)下的極限應(yīng)力和位移，通過在關(guān)鍵截面布設(shè)監(jiān)測(cè)元件在線監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)安全，建立了一種適用于鋼板組合梁橋施工安全的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

(2)采用提出的鋼板組合梁施工安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)背景工程施工全過程進(jìn)行了在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明在整個(gè)施工階段鋼板梁的應(yīng)力及位移值均小于限值，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

(3)隨著鋼材性能提升和施工技術(shù)的發(fā)展，鋼板梁適用跨徑將進(jìn)一步增大，大跨度鋼梁在施工過程中強(qiáng)度、穩(wěn)定及傾覆問題將更加突出，因此，對(duì)大跨度鋼板梁施工安全進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)就很有必要。