大直径双层钢板墙多吊点吊装索具索力监测技术*

马富巧，郭 力，陈 勇，赵 宇

(1.中国核工业华兴建设有限公司，江苏 南京 210019；2.东南大学土木工程学院，江苏 南京 211000)

1 工程概况

某电站采用由20mm 厚Q345B钢板组成的大直径环形双层钢板墙结构，内直径45 770mm，外直径47 970mm， 内外圈钢板间采用φ20钢筋进行焊接，单层高度3 000mm，双层总高度6 000mm，总重达400t。在地面拼装成SC结构模块后采用专用吊装工装及索具实现高空就位，如图1所示。

图1 SC整圈结构吊装示意

大直径结构为超静定结构，在吊装过程中，由于密集分布的多吊点连接索具，索力分布不均匀，会导致结构局部受力过大，产生结构局部破坏，甚至发生整体破坏。因此，大直径结构吊装过程中，设计要求采取相应技术手段，以保证多吊点工况下密集分布的吊索索力在20%偏差范围内。

2 监测系统设计选型

结构张拉及吊装索具承力较复杂，国内外常采用磁通量传感器组成的监测系统、拉压传感器测量系统、磁阻式传感器测量系统、钢丝绳张力测试仪系统等完成索力测量，上述测量方法测量要求高，大部分直接通过测量钢丝绳自身固有属性(频率)实现，受测量信号取值的影响，监测精度不高，抗偏载能力不强，同时无法实现密集分布的多索具索力的同步监测，特别是吊装作业过程中各吊装索具索力为动态变化的过程，监测数据取值不易同步实现。

监测系统主要包括应变片、引伸仪式传感系统、销轴式传感系统、磁通量传感系统。4种监测系统特性如表1所示。

表1 监测系统特性

综合比较，选取销轴式索力传感系统进行SC整圈结构吊装过程索力监测。

3 监测系统工艺原理及构造

3.1 销轴式传感系统工艺原理

销轴式传感系统是近年发展起来的新型传感系统，该系统核心部件为销轴剪切式称重传感器(以下简称销轴式传感器)，为承载器与称重传感器合二为一的集成化结构。电子吊秤、行车电子秤所用的销轴式传感器为这种结构的典型代表。

销轴式传感器实际上是1根承受剪力作用的圆轴，将双剪型电阻应变计粘贴在凹槽中心位置。有2种组桥测量方式，即2个凹槽处双剪型电阻应变计共同组成1个惠斯通电桥，或分别组成惠斯通电桥再并联进行测量。销轴式传感器具有如下特点。

1)弹性元件为一整体圆轴，结构紧凑，几何外形简单，容易加工，具有很高的尺寸和形位精度。

2)销轴截面具有很强的抗扭转、抗弯曲能力，并且销轴中性轴处的应力最大。

3)当销轴承受垂直和水平弯曲时，弯矩为0的截面为同一截面。

4)与相关承力部件组装容易，使用方便。

销轴式传感器可简化为跨中受集中载荷作用下的简支梁结构，如图2所示(P为待测量的索力)。

图2 销轴式传感器力学模型

由图2可知，销轴发生弯剪组合变形。当销轴处于弯剪共同作用时，相当应力为：

σv=

(1)

式中：M，Fs分别为相应横截面上弯矩和剪力；W为弯曲截面系数；A为横截面面积。

由于M，Fs与力P间为线性关系，因此，式(1)可简化为：

σv=kP

(2)

比例系数k可通过试验标定得到。

式(1)中要求弯矩M和剪力Fs方向相互垂直，利用销轴式传感器进行索力测量时，要求索力必须沿固定方向。

测量过程中随着吊装过程的变化，索力方向也可能发生改变。为满足索力方向与销轴式传感器测量方向相对固定，在吊索叉耳与销轴间采用1个固定装置，当吊索发生转动时，带动销轴一起转动，保证索力与销轴式传感器测量方向相对固定。

销轴式传感器采用销轴外形双剪切梁结构，具有抗偏载、抗扭曲、精度高等特点，是钢丝绳张力的专用传感器，起到称重测力传感器的作用，从而使整个称重测力控制系统机械部件大大简化。该传感器测量精度高，系统误差为5‰～1%。

3.2 监测方案设计

结构在吊装过程中位置不断变化，为实时监测索力，采用无线传输装置，将所测量的索力传输至监控中心。监测系统由索力测量系统、信号转换和传输系统、信号采集系统及信号处理和决策系统相关模块构成，如图3所示。

图3 监测系统模块构成

3.3 监测系统构造

监测系统测量与传输系统中的关键部分如图4所示。其中，销轴式传感器依据吊索具中销轴尺寸进行定制。定制的销轴式传感器逐个进行强度验证试验及索力测试精度标定。信号转换单片机将测量和放大后的模拟式232接口信号，转换成可高精度传输的数字式485接口信号，实现测量信号的无衰减高抗噪传输。为实现吊装过程中索力实时监测，设置后备电源供电系统。

图4 监测系统关键部分

结构吊装时，在吊索与结构连接处安装销轴式传感器，对吊索受力进行实时监测。

索力监测系统设备如表2所示。

表2 索力监测系统设备

4 监测系统应用

为验证索力监测系统设计的合理性和科学性，结合SC结构整圈双层模块吊装的实施进行测量系统应用实践。吊装工况如图1所示，对SC结构吊装过程中32根次吊索进行索力监测。

4.1 索力分析

为分析吊装过程中32根次吊索索力分布情况，依据设计图纸建立计算模型，如图5所示。吊装采用环形管桁架吊装工装，吊装工装及拟吊装SC结构模块重约418t。模型计算时，SC结构施加节点荷载，吊装工装自重通过重力载荷进行施加。

图5 次吊索索力分析模型

以结构模块异形区为起点逆时针方向编号，依次为T1-1，T2-1，T1-2，T2-2，……，T1-16，T2-16，各吊索索力值如表3所示。此时总索力为5 395.1kN。

表3 各吊索索力计算值 kN

4.2 监测系统现场实施装配

吊装前,布置仪器，并加以调试。仪器布置过程可简化为4个步骤：①按预定位置布置好机箱，并连接好采集机箱间的通信线；②布置采集机箱与传感器之间的通信线，连接信号放大器和传感器，检查是否通讯正常；③安装销轴式传感器及放大器，连接通信线，同时检查监测系统上相应通道数据有无异常，若存在问题，须及时反馈并解决相应故障；④检查无误后，进行防水处理，整理固定通信线。

销轴传感器装配在吊装架与上部索具T1/T2连接处，每个吊耳处连接1件销轴，对应吊索编号，安装相应销轴式传感器。

1)销轴穿入吊耳后及时连接数据线，通过引线连接销轴式传感器和集成式信号传输系统。

2)安装、调试信号接收与采集系统，确保各通道与相应吊索逐一对应。

3)次吊索需根据编号及位置关系对应挂置，严禁出现编号与位置不对应现象。

4)依次完成信号转换模块及集成式信号传输系统专用采集机箱的连接与装配。

5)通过引线连接销轴式传感器信号转换模块和集成式信号传输系统。

6)调整信号接收与采集系统时，检查各通道与吊索的对应情况，确保信息收集的准确性。

7)安装集成式信号传输系统备用导线，进行传输系统冗余备份。

4.3 索力监测

在SC结构模块吊装过程中，对次吊索受力情况进行监测，销轴式传感器收集索力值信号，利用信号放大系统、无线发射系统实时监测吊索应力，6min巡测1遍32根次吊索中的拉力，并在电脑上以动态图形实时显示监测结果，当索力偏差>20%时，调节次吊索，保证各索力偏差在20%以内。

吊索安装完成并验收合格后，收紧吊索至微受力，调试信号接收与采集系统并清零；施工过程中全程监测各吊点索力状态，在逐级加载各阶段自动记录各索力值，数据处理中心对各阶段索力分布形成图表界面，重点观测和预警超限吊点，以指导调整索力，全部索力在设计规定的范围内方可起吊。

4.4 索力监测数据分析

SC结构模块吊装分为6个阶段，各阶段索力分布如图6所示。

图6 各阶段索力分布

在阶段6，即SC结构模块起吊离地阶段，索力最大值为263.5kN，吊索编号为T1-16，最小值140.8kN，吊索编号为T2-3，各索力与相应理论设计值偏差在10%以内的吊索有25个，偏差在20%以内的有31个。T1-16吊索偏差>20%，最大偏差为24.82%，其他各索力与理论设计值的偏差均在允许范围内。

随着起吊重量的增加，各索力的分布不均匀性开始显现，在结构异形区和配重区索力偏大。各阶段索力偏差变化趋势如图7所示。由图7可知，大部分索力与理论设计值偏差在20%内。

图7 各阶段索力偏差变化趋势

5 结语

密集分布的多索具索力监控系统采用销轴式传感器进行索力测量，通过数据采集和无线传输及交换，能快速实现计算机辅助处理得出各阶段各时点索力。系统生成的索力分布数据能可靠指导索力偏差调节，实现密集分布多索具索力下的大直径结构安全吊装作业。采用该监测系统指导吊装索力偏差调整科学可靠。

大直径双层钢板墙采用专用环形管桁架吊装工装实现多吊点吊装时，在保证吊装前各索力分布大致均匀且吊装架下部吊索受力同步的情况下，吊装过程中各次吊索索力值与理论设计值接近，除配重和异形区域等特殊位置吊索外，其余各部位次吊索索力均能实现吊装设计规定的索力偏差控制在20%范围内。