超长悬挑式卸料平台结构健康监测研究

袁文俊, 叶光荣, 丁 宁, 李家富, 李长江

(中国华西企业股份有限公司第十二建筑工程公司,四川成都 610000)

0 引言

随着社会的进步和发展,当代建筑在保证使用功能的同时其结构形式也越来越多样化、复杂化,异性结构和复杂的外观要求,这无疑对施工材料搭设和转运提出了更高的设计和安全要求[1]。超长工具式型钢悬挑卸料平台无疑是解决该问的一种最优解,该技术方法较为新颖投入工程的实例相对较少,对其使用的结构状态做出评估,保障超长工具式型钢悬挑卸料平台的使用安全,为后续在类似工程的实施提供可靠的数据支撑和工程经验。

1 结构基础参数信息及受力验算

1.1 结构基础参数信息

超长悬挑卸料平台,主梁采用9 m长的18#工字钢作为主梁,其抗弯强度设计值为205 N/mm2,弹性模量E为206 000 N/mm2;2 m长的14#工字钢作为次梁,其抗弯强度设计值为205 N/mm2,弹性模量E为206 000 N/mm2;平台面板厚度为15 mm的冲压钢脚手板,拉索采用直径为21.5 mm,型号为6×37的钢丝绳。卸料平台宽度为2 m,长度为6 m,与主体结构采用预埋U形钢筋采用钢丝绳连接,主梁间距为2 m,次梁间距为0.9 m,超长悬挑卸料平台的设计规格参数如图1、表1所示。

表1 超长型钢悬挑卸料平台设计参数

表2 超长悬挑卸料平台荷载计算系数

表3 超长悬挑卸料平台受力计算

图1 超长悬挑卸料平台模型

1.2 结构受力验算

卸料平台的设计及受力验算主要依据GB50009-2012《建筑结构荷载规范》、GB50017-2017《钢结构设计标准》、GB50205-2020《钢结构工程施工质量验收标准》、JGJ80-2016《建筑施工高处作业安全技术规范》、JGJ130-2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》和GB/T 20118-2017《钢丝绳通用技术条件》,充分考虑规范要求及载荷结构受力,保证施工过程安全可靠。

2 超长悬挑卸料平台监测系统

结构健康监测是一个重要的领域,在保障结构的安全性和可靠性方面起着举足轻重的作用。该领域研究的核心是对结构的长期在线监测,这有助于识别结构中的潜在问题,及时采取措施来保证结构的安全和可靠性。通过对风力机长期的监测来统计分析结构在环境荷载作用下动力特性变化情况,了解结构的危险运行状态,为后续相关研究奠定基础,进而对结构健康评估和维护[2-4]。

2.1 传感器布置与安装

超长悬挑卸料平台的结构健康监测系统4种类型设备(气象站、温度计、应变计、激光位移计)共计12支传感器和设备组成,建立了一套综合全面的对超长悬挑卸料平台结构性能的全寿命监控。各类型传感器的位置如图2所示,其中s气象站、风速仪安装在卸料平台外边缘;拉力计安装在钢丝绳上;温度传感器与应变计安装在平台边缘。

图2 测点布置

2.2 健康监测系统模块设计

超长悬挑式卸料平台的SHM系统基于结构状态评估、计算分析与软件开发、信号传输与传感器网络等建立来的模块化结构,该系共由6个子系统组成:用于结构响应数据采集的传感器系统、数据采集与传输系统、用于分析和管理的数据处理与控制系统、用于综合处理的结构健康评价系统、用于数据存储备份和监测预警的结构健康数据管理系统和检查与维护系统,如图3所示。

图3 超长悬挑式卸料平台SHM健康监测系统

数据采集与传输系统采集到的数字信号和模拟信号通过系统中的调解模块处理,统一转换为数字信号传输到数据处理与控制系统。SHM系统中因传感器集中程度不同,采用采集子站,采集子站与控制中心数字采集系统通过局域网实现,同步上传数据并存储数据如图4所示。

图4 信号传输系统框架

3 结构数据分析

3.1 超长悬挑卸料平台使用环境监测

表4为监测期间温度随时间的关系图,最高温度为37.2 ℃,最低温度为-7.4 ℃,最大温差达到44.6 ℃,平均温度为14.41 ℃。如表4所示监测期间环境气温统计,其中一月份平均温度最低为-5.47 ℃,8月份平均温度最高,为22.09 ℃;12月至2月份平均温度皆为负值,重点关注超长悬挑卸料平台的钢结构部分可能发生的冷脆现像,加强对超长悬挑卸料平台的监测,提高人工检测频率,做到一天2次,保证结构的安全性。表5为监测期间风速,超长悬挑卸料平台使用期间最大的11.02 m/s,最小风速0 m/s,其中3月、4月、10月、11月和1 2月期间的风速相对较大,要时刻关注超长悬挑卸料平台的使用状态,注意大风天气的影响,必要时可中断、停止施工保障结构安全。

表4 使用期间温度监测 单位:℃

表5 使用期间风速监测 单位:m/s

3.2 超长悬挑卸料平台变形监测

为了预防卸料平台产生变形对施工过程造成危险,造成巨大的经济损失和人员伤亡,因此需要在结构的变形进行监测,以保证结构施工过程的安全,并为施工工序的合理安排提供可靠的依据,也为后续在类似工程的实施提供可靠的数为了预防卸料平台产生变形对施工过程造成危险

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依据结构特点,对空载下超长悬挑卸料平台的整体状态进行监测,对正常使用过程中空载状态下的结构受力状态进行统计分析,在使用中如图5所示,为卸料平台两侧应变传感器测量数据,最大应力为8.32 MPa,最小应力为-2.32 MPa;如图6所示,卸料平台钢丝绳的最大应力为28.19 MPa,最小应力为12.33 MPa。

图5 空载下卸料平台受力变化情况

图6 空载下钢丝绳受力变化情况

依据结构特点,正常使用过程中在荷载作用下下超长悬挑卸料平台的整体状态进行监测,在使用中如图7所示,最大应力为19.21 MPa,最小应力为3.56 MPa,皆小于设计所能承受荷载,结构处于安全状态;如图8所示,最大应力为54.66 MPa,最小应力为17.38 MPa,皆小于钢丝绳设计时所能承受荷载,卸料平台整个使用过程中结构出于安全状态,且整体受力值远远小于设计能承受荷载的标准值。

图7 卸料平台受力变化情况

图8 钢丝绳受力变化情况

在楼层与卸料凭条齐平位置安装了激光位移计,监测卸料平台与楼层结构之间相对位移的变化情况,进而分析卸料平台的安全性、稳固性和抵抗荷载的变形能力。如图9(a)所示,通过固定在结构上的激光位移计到超长悬挑式卸料平台的前端的距离变化情况,卸料平台前段的运动距离最大值的2.36 mm,最小值为0.12 mm,最大变化幅度为2.64 mm;如图9(b)所示,在使用过程中结构上的激光位移计到超长悬挑式卸料平台的尾端的距离变化,其中最大值为4.91 mm,最小值为-4.64 mm,卸料平台尾部变化范围9.55 mm。其二者相对距离的变化范围均在可允许范围内,低于设计要求,在长期的使用过程中激光位移计的测量未出现突变,测量数据真实、稳定、有效。

图9 激光位移计测距

4 小结

通过对超长悬挑卸料平台变形监测施工过程情况进行了长期监测。首先依据结构特点,为保证施工效率和施工进度设计了超长悬挑式施工卸料平台;其次,为保证超长悬挑卸料平台符合现行规范和满足使用过程中承载力的要求,对结构受力性能进行了验算;最后,针对现行超长悬挑式施工卸料平台的使用设计了一套健康监测系统,实时关注结构的受力状态,监测施工使用期间的承载能力、运营状态、耐久能力及剩余寿命进行预测和监测[6],建立了一套完整的结构健康监测系统。通过综合分析得到几点结论:

(1)超长悬挑式卸料平台适应能力强,可满足不同结构外形的建筑结构施工,通过对结构的整体受力计算,完全符合且满足规范要求。

(2)依据超长悬挑式卸料平台的结构特点,设计了建立了一套结构健康监测系统。通过对该卸料平台的监测,其在大风天气,低温天气下使用状态良好;钢丝绳所受的最大应力54.66 MPa、卸料平台的最大应力为19.21 MPa均在设计允许范围内,超长悬挑式卸料平台的前段最大变形为2.64 mm,尾部最大变形为9.55 mm,均符合计算和设计要求。

(3)超长悬挑式卸料平台在施工使用过程中,监测数据平稳,未见异常或突变,监测数据能真实有效性的反应结构受力状态,为后续超长悬挑式卸料平台在建筑施工中的的使用提供可靠的数据支撑。