超長懸挑式卸料平臺結構健康監測研究

袁文俊, 葉光榮, 丁 寧, 李家富, 李長江

(中國華西企業股份有限公司第十二建筑工程公司,四川成都 610000)

0 引言

隨著社會的進步和發展,當代建筑在保證使用功能的同時其結構形式也越來越多樣化、復雜化,異性結構和復雜的外觀要求,這無疑對施工材料搭設和轉運提出了更高的設計和安全要求[1]。超長工具式型鋼懸挑卸料平臺無疑是解決該問的一種最優解,該技術方法較為新穎投入工程的實例相對較少,對其使用的結構狀態做出評估,保障超長工具式型鋼懸挑卸料平臺的使用安全,為后續在類似工程的實施提供可靠的數據支撐和工程經驗。

1 結構基礎參數信息及受力驗算

1.1 結構基礎參數信息

超長懸挑卸料平臺,主梁采用9 m長的18#工字鋼作為主梁,其抗彎強度設計值為205 N/mm2,彈性模量E為206 000 N/mm2;2 m長的14#工字鋼作為次梁,其抗彎強度設計值為205 N/mm2,彈性模量E為206 000 N/mm2;平臺面板厚度為15 mm的沖壓鋼腳手板,拉索采用直徑為21.5 mm,型號為6×37的鋼絲繩。卸料平臺寬度為2 m,長度為6 m,與主體結構采用預埋U形鋼筋采用鋼絲繩連接,主梁間距為2 m,次梁間距為0.9 m,超長懸挑卸料平臺的設計規格參數如圖1、表1所示。

表1 超長型鋼懸挑卸料平臺設計參數

表2 超長懸挑卸料平臺荷載計算系數

表3 超長懸挑卸料平臺受力計算

圖1 超長懸挑卸料平臺模型

1.2 結構受力驗算

卸料平臺的設計及受力驗算主要依據GB50009-2012《建筑結構荷載規范》、GB50017-2017《鋼結構設計標準》、GB50205-2020《鋼結構工程施工質量驗收標準》、JGJ80-2016《建筑施工高處作業安全技術規范》、JGJ130-2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》和GB/T 20118-2017《鋼絲繩通用技術條件》,充分考慮規范要求及載荷結構受力,保證施工過程安全可靠。

2 超長懸挑卸料平臺監測系統

結構健康監測是一個重要的領域,在保障結構的安全性和可靠性方面起著舉足輕重的作用。該領域研究的核心是對結構的長期在線監測,這有助于識別結構中的潛在問題,及時采取措施來保證結構的安全和可靠性。通過對風力機長期的監測來統計分析結構在環境荷載作用下動力特性變化情況,了解結構的危險運行狀態,為后續相關研究奠定基礎,進而對結構健康評估和維護[2-4]。

2.1 傳感器布置與安裝

超長懸挑卸料平臺的結構健康監測系統4種類型設備(氣象站、溫度計、應變計、激光位移計)共計12支傳感器和設備組成,建立了一套綜合全面的對超長懸挑卸料平臺結構性能的全壽命監控。各類型傳感器的位置如圖2所示,其中s氣象站、風速儀安裝在卸料平臺外邊緣;拉力計安裝在鋼絲繩上;溫度傳感器與應變計安裝在平臺邊緣。

圖2 測點布置

2.2 健康監測系統模塊設計

超長懸挑式卸料平臺的SHM系統基于結構狀態評估、計算分析與軟件開發、信號傳輸與傳感器網絡等建立來的模塊化結構,該系共由6個子系統組成:用于結構響應數據采集的傳感器系統、數據采集與傳輸系統、用于分析和管理的數據處理與控制系統、用于綜合處理的結構健康評價系統、用于數據存儲備份和監測預警的結構健康數據管理系統和檢查與維護系統,如圖3所示。

圖3 超長懸挑式卸料平臺SHM健康監測系統

數據采集與傳輸系統采集到的數字信號和模擬信號通過系統中的調解模塊處理,統一轉換為數字信號傳輸到數據處理與控制系統。SHM系統中因傳感器集中程度不同,采用采集子站,采集子站與控制中心數字采集系統通過局域網實現,同步上傳數據并存儲數據如圖4所示。

圖4 信號傳輸系統框架

3 結構數據分析

3.1 超長懸挑卸料平臺使用環境監測

表4為監測期間溫度隨時間的關系圖,最高溫度為37.2 ℃,最低溫度為-7.4 ℃,最大溫差達到44.6 ℃,平均溫度為14.41 ℃。如表4所示監測期間環境氣溫統計,其中一月份平均溫度最低為-5.47 ℃,8月份平均溫度最高,為22.09 ℃;12月至2月份平均溫度皆為負值,重點關注超長懸挑卸料平臺的鋼結構部分可能發生的冷脆現像,加強對超長懸挑卸料平臺的監測,提高人工檢測頻率,做到一天2次,保證結構的安全性。表5為監測期間風速,超長懸挑卸料平臺使用期間最大的11.02 m/s,最小風速0 m/s,其中3月、4月、10月、11月和1 2月期間的風速相對較大,要時刻關注超長懸挑卸料平臺的使用狀態,注意大風天氣的影響,必要時可中斷、停止施工保障結構安全。

表4 使用期間溫度監測 單位:℃

表5 使用期間風速監測 單位:m/s

3.2 超長懸挑卸料平臺變形監測

為了預防卸料平臺產生變形對施工過程造成危險,造成巨大的經濟損失和人員傷亡,因此需要在結構的變形進行監測,以保證結構施工過程的安全,并為施工工序的合理安排提供可靠的依據,也為后續在類似工程的實施提供可靠的數為了預防卸料平臺產生變形對施工過程造成危險

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依據結構特點,對空載下超長懸挑卸料平臺的整體狀態進行監測,對正常使用過程中空載狀態下的結構受力狀態進行統計分析,在使用中如圖5所示,為卸料平臺兩側應變傳感器測量數據,最大應力為8.32 MPa,最小應力為-2.32 MPa;如圖6所示,卸料平臺鋼絲繩的最大應力為28.19 MPa,最小應力為12.33 MPa。

圖5 空載下卸料平臺受力變化情況

圖6 空載下鋼絲繩受力變化情況

依據結構特點,正常使用過程中在荷載作用下下超長懸挑卸料平臺的整體狀態進行監測,在使用中如圖7所示,最大應力為19.21 MPa,最小應力為3.56 MPa,皆小于設計所能承受荷載,結構處于安全狀態;如圖8所示,最大應力為54.66 MPa,最小應力為17.38 MPa,皆小于鋼絲繩設計時所能承受荷載,卸料平臺整個使用過程中結構出于安全狀態,且整體受力值遠遠小于設計能承受荷載的標準值。

圖7 卸料平臺受力變化情況

圖8 鋼絲繩受力變化情況

在樓層與卸料憑條齊平位置安裝了激光位移計,監測卸料平臺與樓層結構之間相對位移的變化情況,進而分析卸料平臺的安全性、穩固性和抵抗荷載的變形能力。如圖9(a)所示,通過固定在結構上的激光位移計到超長懸挑式卸料平臺的前端的距離變化情況,卸料平臺前段的運動距離最大值的2.36 mm,最小值為0.12 mm,最大變化幅度為2.64 mm;如圖9(b)所示,在使用過程中結構上的激光位移計到超長懸挑式卸料平臺的尾端的距離變化,其中最大值為4.91 mm,最小值為-4.64 mm,卸料平臺尾部變化范圍9.55 mm。其二者相對距離的變化范圍均在可允許范圍內,低于設計要求,在長期的使用過程中激光位移計的測量未出現突變,測量數據真實、穩定、有效。

圖9 激光位移計測距

4 小結

通過對超長懸挑卸料平臺變形監測施工過程情況進行了長期監測。首先依據結構特點,為保證施工效率和施工進度設計了超長懸挑式施工卸料平臺;其次,為保證超長懸挑卸料平臺符合現行規范和滿足使用過程中承載力的要求,對結構受力性能進行了驗算;最后,針對現行超長懸挑式施工卸料平臺的使用設計了一套健康監測系統,實時關注結構的受力狀態,監測施工使用期間的承載能力、運營狀態、耐久能力及剩余壽命進行預測和監測[6],建立了一套完整的結構健康監測系統。通過綜合分析得到幾點結論:

(1)超長懸挑式卸料平臺適應能力強,可滿足不同結構外形的建筑結構施工,通過對結構的整體受力計算,完全符合且滿足規范要求。

(2)依據超長懸挑式卸料平臺的結構特點,設計了建立了一套結構健康監測系統。通過對該卸料平臺的監測,其在大風天氣,低溫天氣下使用狀態良好;鋼絲繩所受的最大應力54.66 MPa、卸料平臺的最大應力為19.21 MPa均在設計允許范圍內,超長懸挑式卸料平臺的前段最大變形為2.64 mm,尾部最大變形為9.55 mm,均符合計算和設計要求。

(3)超長懸挑式卸料平臺在施工使用過程中,監測數據平穩,未見異?；蛲蛔?監測數據能真實有效性的反應結構受力狀態,為后續超長懸挑式卸料平臺在建筑施工中的的使用提供可靠的數據支撐。