陈明杰，李平杰
(1.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230；
2.中交交通基础工程环保与安全重点实验室，广东 广州 510230)
随着我国交通基础设施的进一步完善，越来越多桥梁应用到大型项目中，挂篮也普遍应用于桥梁悬臂现浇施工中。由于轻质高强、刚度大、拆卸方便、移篮操作简单、能承受比自身重量大很多的施工荷载等优点，挂篮成为悬臂现浇施工理想的主要荷载承重设备，其中最为突出、应用最多的为菱形挂篮。菱形挂篮主受力桁架为菱形结构，是在平行桁架式挂篮基础上简化而来。菱形主桁架结构简单，受力明确，各构件均为拉压杆件，节点受力，不存在受弯现象，因此具有较大承载力，工作系数一般在0.3～0.6。
在实际桥梁施工中，由于挂篮混凝土非对称浇筑、吊带损伤、锚固不牢靠等造成挂篮坍塌及过大变形时有发生，且菱形挂篮本身承受荷载比自重大，一旦结构失效造成严重后果，给我国交通基建带来巨大损失和严峻挑战[1-5]，迫切需要研究一种能准确监控挂篮安全状态的系统，实现实时预警功能，增强信息化施工准确性，保证项目安全进行。
经过调研，目前不少学者采用有限元仿真分析方法对挂篮各施工工况进行计算分析，但计算结果往往与现场实测数据相差较大[6]，开发挂篮自动监控系统，并对系统可靠性做出评价，对保障挂篮施工安全具有重要价值[7]。国内陆续开发出挂篮监控系统，但如何评价其可靠性和准确性却鲜有研究。本文依托重庆市万州区某在建大桥，桥梁施工采用菱形挂篮，最重节块重902.4t。通过对挂篮进行预压，结合自主开发的自动化挂篮监控系统，对应力和位移数据进行实时采集，并与有限元计算结果、人工监测结果等进行比对，考虑结构形式、加载方式、加载制度等，对数据准确性、可靠性与合理性进行论证分析。
重庆市万州区某在建大桥是一座万一中至驸马片区库岸及消落区综合整治工程的重点大桥，全长540.0m，桥面宽36.0m，桥型布置为(65+110+180+110+65)m梁拱组合体系，主梁采用连续梁，单箱四室截面，箱梁顶宽36.0m、底宽23.84～26.59m，梁高从墩顶9.50m向跨中4.0m以1.8次抛物线过渡。结构形式为下承式梁拱组合体系，采用先梁后拱式施工工艺，总体桥梁设计自重大，主梁采用悬臂浇筑，悬臂浇筑节段自重达902.4t，是目前国内最重悬臂浇筑节段，挂篮总重362t，质量比达0.4。
在桥墩顶面节段浇筑完成并达到设计强度后开始安装挂篮，沿大、小里程方向同步进行，以免对桥墩产生过大偏载，模型如图1所示。根据挂篮受力，在大、小里程侧对称布置传感器。其中，在中间榀菱形架布置静力水准仪和振弦式应变计，如图2所示，在边榀只布置静力水准仪，每根前吊带安装振弦式应变计，面向大里程从左依次编号为左吊带1～7，右吊带7～1，共38支应变计，12台静力水准仪。分别在箱形梁腹板位置预埋反力架，通过千斤顶与反力架给底篮施加竖向荷载，按三级加载，分别为最大荷载的25%，50%，100%，如表1所示，加载曲线如图3所示。根据设计计算书及材料容许应力设置预警值，如表2所示。
表2 挂篮各部位指标各级预警值
图3 加载曲线
表1 各千斤顶加载级
图1 挂篮BIM模型
图2 典型断面测点布置
2.1 挂篮主桁架竖向位移
为便于分析，规定相对位移向下为正，向上为负。由图4可知，大、小里程侧主桁架立杆顶部及前上横杆端部相对于中间榀桁架立杆的竖向位移基本对称分布，与挂篮对称形式及荷载对称加载吻合。其中最大位移均出现在中间榀桁架梁端，其次是边榀梁端位移，边榀立杆顶部位移相对于中间榀为负，说明中间榀立杆压缩变形比边榀大，这与中间荷载大、边榀荷载小的加载制度一致。位移曲线从初始数据清零至第一级加载结束，位移不断增加，持荷稳定；
第二级加载，位移再次增加，持荷稳定；
第三级加载，位移再次增加，持荷稳定；
最后卸载，位移急剧下降并趋于0。除中间榀立杆顶面位移作为参考点外，主桁架其他部位相对位移曲线均能明显看到25%，50%，100%的分级变化情况，变化趋势与加载曲线一致。由分析结果可知，数据对称性、相互关系、变化趋势等均与结构形式、加载方式、加载制度吻合，体现了挂篮自动化监控系统位移监测值的合理性与准确性。
图4 主桁架竖向位移曲线
2.2 挂篮主桁架应力
为便于分析，规定受拉应力为正，受压应力为负。由图5可知，大、小里程侧主桁架应力曲线基本对称，与挂篮的对称形式及荷载对称加载吻合良好。其中前撑杆、立杆、后连杆为受压杆件，前上横杆、后拉杆为受压杆件，最大压应力出现在前撑杆，最大拉应力出现在前上横杆，与理论受力状态相符。应力曲线从初始数据清零到第一级加载结束，应力不断增加，持荷稳定；
第二级加载，应力再次增加，持荷稳定；
第三级加载，应力再次增加，持荷稳定；
最后卸载，应力急剧下降并趋于0。主桁架杆件应力曲线均能明显看到25%，50%，100%的分级变化情况，其变化趋势与加载曲线一致。从分析结果来看，数据对称性、杆件受力状态、变化趋势等均与结构形式、加载方式、加载制度、理论受力状态吻合，体现了挂篮自动化监控系统应力监测值的合理性与准确性。
图5 主桁架应力曲线
2.3 挂篮吊带应力
为便于分析，规定受拉应力为正，受压应力为负。由图6，7可知，除大里程侧左吊带1和小里程侧右吊带1损坏，其他吊带应变计正常工作。大、小里程侧吊带应力曲线基本对称，与挂篮对称形式及荷载对称加载吻合良好。所有带吊均为受拉状态，最大吊带应力出现在左、右吊带5位置，最小吊带应力基本出现在边榀，与荷载分布及理论受力状态相符。吊带应力曲线从初始数据清零到第一级加载结束，应力不断增加，持荷稳定；
第二级加载，应力再次增加，持荷稳定；
第三级加载，应力再次增加，持荷稳定；
最后卸载，应力急剧下降并趋于0。吊带应力曲线均能明显看到25%，50%，100%的分级变化情况，变化趋势与加载曲线一致。从分析结果来看，数据对称性、吊带受力状态、变化趋势等均与结构形式、加载方式、加载制度、理论受力状态吻合，体现了挂篮自动化监控系统应力监测值的合理性与准确性。
图6 右吊带应力曲线
图7 左吊带应力曲线
根据荷载总和进行吊带最大平均应力计算，与大、小里程侧实测值、有限元计算值等进行比较，由于大里程侧左吊带1和小里程侧右吊带1损坏，且吊带应力分布不均匀，为避免实测值缺失导致平均值过大而偏离真实值，按左、右对称性赋值给大里程侧左吊带1和小里程侧右吊带1，平均值计算结果如表3所示。由表3可知，大里程侧实测值与理论计算值接近，约为38MPa；
小里程侧实测值与有限元计算值接近，约为35MPa；
大、小里程侧实测值平均值也相差不大，可见挂篮自动化监控系统监测值可靠性较高，数据较准确、合理。
表3 加载过程中吊带最大应力
2.4 挂篮应力、位移综合分析
由表3及图8可知，实测吊带应力分布基本左右对称，且基本在吊带5位置出现峰值，最小值基本出现在最边上吊带，与有限元计算值基本吻合。主桁架竖向位移对比如图9所示，由于现场人工监测条件有限，只监测了中间榀、次左边榀、次右边榀桁架梁端位移，自动化监控系统监测了边榀和中间榀梁端和立杆，为便于分析，通过自动化监测值和榀间距进行内插，求取次左边榀和次右边榀位移。由图9可知，无论是自动监测值、人工监测还是有限元计算值，相对于中间榀立杆顶面，桁架梁端位移均为竖直向下，立杆位移均为竖直向上，均与荷载分布及理论计算值吻合。此外，人工监测采用全站仪进行，因为测量人员及仪器误差影响较大，监测值相对偏大，自动监测值次之，有限元计算值最小。采用的系统自动监测值是人工监测值及理论值的中和，可靠性更高。
图8 不同吊带应力对比
图9 主桁架竖向位移对比
1)通过对挂篮进行预压，结合自主开发的挂篮自动化监控系统进行数据采集，进而分析数据可靠性和合理性的方法可行。
2)自动化监控系统所测桁架竖向位移数据对称性、相互关系、变化趋势等均与结构形式、加载方式、加载制度吻合，体现了挂篮自动化监控系统位移监测值的合理性与准确性。通过比较，人工监测值相对偏大，自动监控系统监测值次之，有限元计算值最小。采用的系统自动监测值是人工监测值及理论值的中和，相对而言可靠性更高。
3)自动化监控系统所测桁架、吊带应力数据对称性、杆件受力状态、变化趋势等均与结构形式、加载方式、加载制度、理论受力状态吻合，体现了挂篮自动化监控系统应力监测值合理性与准确性。大、小里程侧吊带应力实测均值与理论计算值、有限元计算值均较为接近。
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