基于GNSS的預(yù)制箱梁橋吊裝施工新技術(shù)

朱興龍，彭 冀

(1.深圳市市政工程總公司,深圳 518000;2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展與人口總量的持續(xù)增長，我國的交通運(yùn)輸壓力急劇增大。為解決交通擁堵問題，各級政府規(guī)劃、新建了大量市政道路與公路[1]，這些相關(guān)公路的建設(shè)也催生了大量新建橋梁的需求。預(yù)制箱梁橋作為中小跨徑橋梁建設(shè)應(yīng)用最為廣泛的橋型之一，其現(xiàn)有的施工工藝仍存在著一定的不足，該文對其吊裝施工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與問題進(jìn)行分析，從施工控制管理與施工監(jiān)測方面提出基于GNSS的施工監(jiān)測的技術(shù)方案。

1 預(yù)制箱梁吊裝施工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)50年代，我國就已經(jīng)開始研究預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)，并于1956年在隴海線新沂河上建成了國內(nèi)第一座預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋，此后，預(yù)制混凝土梁在橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。在橋梁的工程建設(shè)中，施工技術(shù)水平的高低常常起著至關(guān)重大的作用，采用合理的施工技術(shù)不僅能提高施工效率，降低工程費(fèi)用，更是實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的重要保障。因此，許多學(xué)者與工程技術(shù)人員在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對預(yù)制箱梁的吊裝施工不斷地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，主要體現(xiàn)在各類大型機(jī)械化運(yùn)、架梁設(shè)備的研究應(yīng)用上。

現(xiàn)如今，按照架梁施工的工藝類別進(jìn)行劃分，有針對地上架設(shè)、水上架設(shè)以及高空架設(shè)的各類技術(shù)方法，比較常見的如架橋機(jī)安裝法、自行式吊車安裝法、跨墩龍門吊安裝法和浮運(yùn)架設(shè)法等。在海面上或深水上修建橋梁時，通常使用可回轉(zhuǎn)的伸臂式浮吊，配備有大型浮吊船的情況下，其吊裝能力強(qiáng)大、功效高。當(dāng)橋高有限、架梁孔數(shù)多且在線路兩側(cè)鋪設(shè)吊車行走軌道較為方便時，可選用跨墩門式吊車法進(jìn)行架梁。架橋機(jī)是針對箱梁吊裝施工專門研發(fā)出來的起重設(shè)備，采用了微調(diào)控制結(jié)構(gòu)，其吊裝動作平穩(wěn)精準(zhǔn)，能實(shí)現(xiàn)一次落梁到位，并且具有可自行跨孔、不受橋下水深與通行限制等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用，其缺點(diǎn)是往往需要進(jìn)行復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)組裝施工，對設(shè)備及技術(shù)工種的需求相對較高。當(dāng)單片梁架設(shè)重量較小且施工場地相對平坦堅(jiān)實(shí)時，自行式吊車架梁法是一種很好的補(bǔ)充方法。自行式吊車本身具有動力，運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，既能在橋下架梁，也能行駛至已架設(shè)的橋段上進(jìn)行高空吊裝作業(yè)，不僅對架設(shè)設(shè)備、技術(shù)工種的需求較低，而且架設(shè)速度快、保護(hù)交通效果良好，可起到縮短工期的效果。除上述幾類常見的吊裝施工技術(shù)外，還有多種靈活的方式可以選擇。日新月異的機(jī)械化施工技術(shù)也為橋梁工程的發(fā)展提供了更為廣闊的空間。

2 現(xiàn)存問題分析與對策

不論采用何種起重機(jī)具進(jìn)行架梁，整個架梁作業(yè)通常嚴(yán)格按照試吊→起吊→提梁→移梁就位→落梁的工序進(jìn)行，其總體目標(biāo)是將主梁平穩(wěn)、安全、精準(zhǔn)地安放到目標(biāo)梁位，如圖1所示。

在傳統(tǒng)的施工工藝?yán)?，為保證最終落梁位置的準(zhǔn)確性，需事先在已驗(yàn)收合格的蓋梁上對箱梁的安裝邊線、中軸延長線以及梁端線進(jìn)行放樣并標(biāo)畫出來，同時在梁端上也標(biāo)畫出梁體中軸線，待箱梁移運(yùn)至目標(biāo)梁位上方后保持懸停，由指揮人員反復(fù)校核梁體與標(biāo)線的重合情況來調(diào)整落梁。該方法存在如下弊端：

1)箱梁的吊運(yùn)安裝主要依靠人工監(jiān)控指揮，受指揮者所處位置、視角、距離以及現(xiàn)場照明條件的影響，指揮移梁與落梁就位時將不可避免產(chǎn)生一定的偏差。

2)指揮人員與操作人員通過語言溝通合作進(jìn)行架梁作業(yè)，過程中往往需要進(jìn)行多次、反復(fù)調(diào)整以保證箱梁準(zhǔn)確地安裝到目標(biāo)位置，施工效率十分低下。

3)在進(jìn)行吊裝作業(yè)時，目標(biāo)孔跨兩端各需要1個以上的指揮人員，人力成本較高。

4)指揮人員往往需要進(jìn)行長時間的高空作業(yè)，并且作業(yè)區(qū)域離安裝點(diǎn)位較近，具有很大的安全隱患。

根據(jù)住建部發(fā)布的《2019年房屋市政工程生產(chǎn)安全事故情況通報》[3]：2019年，房屋市政工程生產(chǎn)安全事故按照事故類型劃分，高處墜落事故占比最高，共發(fā)生415起，占事故總數(shù)的53.69%；因起重機(jī)械傷害造成事故42起，占總數(shù)的5.43%。通報對生產(chǎn)安全較大及以上事故也按類型進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中因起重機(jī)械傷害造成的事故有7起，占比高達(dá)30.43%。以上數(shù)據(jù)也表明，預(yù)制構(gòu)件吊裝是一項(xiàng)危險性較高的施工作業(yè)，吊裝指揮人員不僅面臨著較大的高空墜落風(fēng)險，當(dāng)發(fā)生起重傷害事故時后果也比較嚴(yán)重，容易造成較大的人員傷亡及財產(chǎn)損失。

實(shí)際上，裝配式橋梁因采用了標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)與工廠化的生產(chǎn)工藝，不僅構(gòu)件類型齊全，生產(chǎn)質(zhì)量有保證，而且同一類型的構(gòu)件外形尺寸固定，內(nèi)部構(gòu)造相似，更適合采用信息化的施工方案。近年來，有不少學(xué)者開始研究將GNSS定位技術(shù)應(yīng)用于指導(dǎo)吊裝施工，該文在閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，提出建立一套基于GNSS定位技術(shù)的施工監(jiān)測系統(tǒng)來指導(dǎo)實(shí)際吊裝施工，以提高施工效率、安全性與準(zhǔn)確性。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)以實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，以功能需求為基礎(chǔ)，結(jié)合預(yù)制箱梁橋施工工藝的特點(diǎn)，采用動態(tài)、直觀、高效的設(shè)計(jì)原則，形成了基于軟硬件集成的多層邏輯架構(gòu)，如圖2所示。

基于總體構(gòu)架，結(jié)合箱梁橋施工階段的整體過程，以及需要的硬件和軟件進(jìn)行系統(tǒng)的方案分析設(shè)計(jì)，從而完成基于GNSS定位技術(shù)的預(yù)制箱梁的吊裝施工過程的方案設(shè)計(jì)。

3.1 預(yù)制箱梁橋施工階段分析

系統(tǒng)主要依靠安裝在梁體上的GNSS定位設(shè)備來接收衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，結(jié)合系統(tǒng)軟件的內(nèi)部算法計(jì)算出梁體的實(shí)時空間位置，從而實(shí)現(xiàn)對預(yù)制箱梁吊裝施工的監(jiān)控指揮。在確定定位硬件在梁體上的安裝方案后，箱梁吊裝就位時接收機(jī)的目標(biāo)坐標(biāo)可以在施工定位圖上換算求出，但考慮到箱梁在預(yù)制、存梁階段受一期恒載與鋼束預(yù)應(yīng)力的作用會產(chǎn)生形變[4]，若僅以其設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)來計(jì)算接收機(jī)的目標(biāo)坐標(biāo)，必然會存在著一定的誤差，從而影響到最終的安裝精度。因此，運(yùn)用有限元方法對預(yù)制混凝土箱形梁橋進(jìn)行施工階段分析，掌握其在各階段的受力變形特性具有重要意義，能夠?yàn)楹罄m(xù)形成系統(tǒng)的吊裝定位計(jì)算理論提供重要依據(jù)。施工階段分析主要內(nèi)容是不同標(biāo)準(zhǔn)跨徑的各類梁片在任意存梁周期下的變形情況。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件是整個系統(tǒng)得以運(yùn)行的基礎(chǔ)與支撐，主要包含GNSS定位硬件，必要的數(shù)據(jù)通信設(shè)備以及具有交互接口的可顯示用戶終端。其中硬件的集成方案與GNSS定位設(shè)備在梁體上的安裝布置方案是研究的關(guān)鍵。為保證系統(tǒng)指揮吊裝施工的時效性與精度，采用了GNSS RTK實(shí)時動態(tài)定位技術(shù)，因此定位硬件中既包含了安裝于梁體上的流動站接收機(jī)，也包括安裝在施工現(xiàn)場的基準(zhǔn)站接收機(jī)來提供實(shí)時差分信號。系統(tǒng)配備了3臺流動站接收機(jī)并分置于梁體的固定安裝點(diǎn)位上，通過實(shí)時解算接收機(jī)天線構(gòu)成的非共線基線矢量來確定梁體的吊裝姿態(tài)[5]。最后將所有的硬件設(shè)備通過數(shù)據(jù)鏈路聯(lián)系在一起集成為系統(tǒng)的硬件子系統(tǒng)。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開發(fā)的預(yù)期效果是：施工人員在操作大型起重機(jī)械時，能夠根據(jù)系統(tǒng)所反饋的實(shí)時監(jiān)控信息調(diào)整自己的操作，以便讓預(yù)制構(gòu)件能夠平穩(wěn)、安全、精準(zhǔn)地移運(yùn)到目標(biāo)位置。因此，監(jiān)控信息如果太過于復(fù)雜和數(shù)據(jù)化，反而會影響施工人員原本的操作，系統(tǒng)的實(shí)用性就會大打折扣。故在硬件監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)一款與之相適應(yīng)的動態(tài)仿真軟件，軟件內(nèi)部核心算法能夠?qū)λ@取到的實(shí)時定位數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析，然后通過仿真界面以圖形化的形式直觀地向施工人員提供操作指引。同時，軟件具有直觀、簡潔、人性化的用戶圖形界面與操作模塊，用戶可以方便地定義必要的施工參數(shù)并進(jìn)行實(shí)時仿真操控，輕松獲取有效的施工信息。

4 結(jié) 語

預(yù)制箱梁橋的廣泛應(yīng)用為我國公路建設(shè)與橋梁事業(yè)的發(fā)展提供了巨大推力與保障，其施工技術(shù)也在實(shí)踐中得到不斷創(chuàng)新。但現(xiàn)有的吊裝施工技術(shù)中仍存在著一定的不足，仍依賴于人工實(shí)時觀察與指揮，不僅效率低下，而且存在著較大的安全隱患。該文創(chuàng)新式地提出一套基于GNSS監(jiān)控系統(tǒng)來指揮架梁施工的新技術(shù)，通過對預(yù)制箱梁橋施工階段的整體過程的分析，建立包含GNSS定位硬件和關(guān)聯(lián)系統(tǒng)軟件的研究，對基于此方案的新型吊裝技術(shù)進(jìn)行了完整的闡述。此項(xiàng)新技術(shù)及其實(shí)施方案將極大地改進(jìn)現(xiàn)有箱梁橋的吊裝技術(shù)，促進(jìn)更加安全精確的吊裝方案的發(fā)展。