高支模坍塌安全監(jiān)測模型研究

宋世軍,蘆繼忠,牛 山,蘇以琨

(1.山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,濟(jì)南 250101; 2.廣西建工集團(tuán)第五建筑工程有限責(zé)任公司,廣西 柳州 545000;3.南寧市思索科貿(mào)有限公司,南寧 530000)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn),高大模板支撐體系(以下簡稱高支模)是指其搭設(shè)高度超過8 m、支撐跨度超過18 m、施工總載荷大于15 kN/ m2、集中線載荷大于20 kN/ m的模板支撐系統(tǒng)[1-3].

隨著中國城鎮(zhèn)建設(shè)及經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,高層建筑、高鐵、高架橋等在日益刷新城市和整個中國的面貌,在這些高層建筑的建設(shè)過程中,需要搭設(shè)大量的高支模支架.從高支模的定義中我們不難發(fā)現(xiàn),高支模具有高度高、跨度大、受力比較復(fù)雜等特性,在現(xiàn)場搭設(shè)高支?；蜻M(jìn)行混凝土澆筑過程中很容易發(fā)生坍塌事故.而一旦發(fā)生高支模坍塌事故,不僅延誤了工程的進(jìn)展,更為嚴(yán)重的是會造成重大的人員傷亡,給國家和社會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失.因此,研究一種高支模坍塌前的預(yù)警和報警方法，在當(dāng)前的形勢下顯得尤為重要.

通過搜索相關(guān)文獻(xiàn),在高支模的安全監(jiān)測方面有不少學(xué)者進(jìn)行了不同方面的研究[4-7].王雪艷等[8]建立了基于AHP和模糊綜合評判法的高支模體系風(fēng)險評估模型,但該方法需要由評估專家根據(jù)上層次單因素對下層次因素做出權(quán)重評判,雖然提出了一種加權(quán)平均的方法，以減少評估專家個人因素對判斷的影響,但在實際的操作過程中，仍然需要根據(jù)專家人員的變化來適時地進(jìn)行調(diào)整,操作性復(fù)雜.潘業(yè)峰等[9]研究了大跨度超高模板支撐系統(tǒng)的應(yīng)力檢測,提出了一種檢測高支模體系中立桿和橫桿應(yīng)力的方法，實現(xiàn)高支模的安全監(jiān)測,但該方法布點非常麻煩.此外由于高支模體系中所用材料的不同,因此,根據(jù)應(yīng)力數(shù)據(jù)判斷高支模是否安全沒有統(tǒng)一的判斷標(biāo)準(zhǔn).

基于以上現(xiàn)狀,通過對高支模工程事故的統(tǒng)計分析,以立桿側(cè)向位移監(jiān)測為主要信息,基于支撐體系的穩(wěn)定性計算,本文構(gòu)造了高支模工程遠(yuǎn)程坍塌監(jiān)測算法.通過實驗驗證,達(dá)到了預(yù)期效果.對高大模板支撐體系安全管理技術(shù)進(jìn)行探索,對提高高支模安全施工技術(shù)水平具有重要意義.

1 高支模坍塌特征提取

高支模支撐體系受載過程中存在姿態(tài)變換,當(dāng)達(dá)到坍塌臨界點時存在整體失穩(wěn)現(xiàn)象,所以在坍塌臨界點之前力學(xué)模型是變化的.對坍塌臨界點之前階段的詳細(xì)分析存在很多困難.

和其他建筑結(jié)構(gòu)一樣,高大模板支撐體系的極限狀態(tài)分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩大類.前者對應(yīng)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件達(dá)到最大承載能力、出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形,包括傾覆、強(qiáng)度破壞、疲勞破壞、喪失穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C(jī)動體系或出現(xiàn)過度的塑性變形.后者對應(yīng)于結(jié)構(gòu)、構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值,包括出現(xiàn)影響正常使用、外觀的變形、振動和局部破壞等.

強(qiáng)度破壞是指構(gòu)件的某一截面或連接件因應(yīng)力超過材料強(qiáng)度而導(dǎo)致的破壞.有孔洞的鋼構(gòu)件在削弱截面拉斷,屬于一般的強(qiáng)度破壞.高大模板支撐體系還有一種特殊情況,即在特定條件下出現(xiàn)低應(yīng)力狀態(tài)的脆性斷裂,材質(zhì)低劣、構(gòu)造不合理和低溫等因素都會促成這種斷裂.鋼構(gòu)件因材料強(qiáng)度高而截面小,且組成構(gòu)件又較薄,使失穩(wěn)成為承載能力極限狀態(tài)的重要方面.壓應(yīng)力是使構(gòu)件失穩(wěn)的原因,失穩(wěn)在高大模板支撐體系中具有普遍性.

對于某一高支模支撐體系,均勻布置m個監(jiān)測點,對任意一個監(jiān)測點及其相鄰的最多8個監(jiān)測點,設(shè)計一個坍塌特征模型.

對于監(jiān)測點的立桿,其側(cè)向位移計算可以簡化成如圖1所示的軸心受壓的桿,不考慮其伸出端變形,則其撓曲線微分方程為

(1)

式中：M為截面彎矩；EI為桿的抗彎剛度.

圖1 模型Fig.1 Model

y向的最大撓度與軸向力F之間的理論關(guān)系如圖2所示.在臨界力處會出現(xiàn)一個奇異點.

圖2 最大撓度f與軸向壓力之間的關(guān)系[10]Fig.2 The relationship between maximum deflection f

(2)

(3)

式中:F為立桿承受的壓力;e為偏心距;l為高支模步距.

臨界力為

(4)

所有的坍塌都表現(xiàn)為變形,不失一般性,本文用一個向量組作為坍塌特征量,相關(guān)定義如下:

向量模參數(shù)確定,初始位置作為位移原點(x1,y1),當(dāng)前位置作為位移點(x2,y2),連接位移原點與位移點的向量作為特征向量,其向量模作為特征參數(shù)之一.安全閾值的確定為1層橫桿連接失效時由式(3)得出的撓度,安全人員撤離報警閾值設(shè)為3層橫桿連接失效時由式(3)得出的撓度.e值根據(jù)施工技術(shù)和腳手架加工精度決定,其向量模為

(5)

式中:k1為距離調(diào)整系數(shù);k2為與施工工藝、腳手架材料、活載荷等因素有關(guān)的安全系數(shù);[M]為報警閾值(簡稱報警值).

向量模的精度按實際工程結(jié)構(gòu)允許變形的1/3～1/5確定.向量組判斷準(zhǔn)則,每個監(jiān)測點產(chǎn)生一個特征向量A,其周圍的相鄰監(jiān)測點產(chǎn)生的特征向量為Bi={b1,b2,…,bn}.

向量組定義為

(6)

式中:

rma=ra-Ra<[r]

rmBi=rBi-RBi<[r]

R為立桿位移原點對應(yīng)的監(jiān)測時間單元內(nèi)的信息分布離散半徑;r為位移點對應(yīng)的監(jiān)測時間單元內(nèi)的信息分布離散半徑;rm對應(yīng)信息分布離散半徑變化量;[r]為安全閾值.

高支模坍塌報警特征定義為:對于任一監(jiān)測點,當(dāng)向量組中有1/2以上的特征向量方向相同，且其向量模大于等于報警值時,判定被監(jiān)測的高支模支撐體系處于坍塌危險狀態(tài),需要采取保護(hù)措施.

2 高支模坍塌報警算法

對于某一需要進(jìn)行坍塌安全監(jiān)測的高大模板支撐系統(tǒng),均勻布置m個監(jiān)測點,每個監(jiān)測點根據(jù)式(6)構(gòu)造其向量組,形成了tf1,tf2,…,tfm.

坍塌報警算法步驟如下:

步驟1未澆筑混凝土?xí)r,記錄一段時間內(nèi)傾角傳感器監(jiān)測到的位移坐標(biāo),分析位移坐標(biāo)圖得出這些坐標(biāo)點的最小外接圓,記錄最小外接圓半徑為R,分別求出這些坐標(biāo)點的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的平均值,記作O(x1,y1).

步驟2判斷O(x1,y1)是否滿足施工安全規(guī)范要求(0.3%).否,給出整改信息,返回步驟1;是,進(jìn)行下一步.

步驟3澆筑混凝土?xí)r,記錄一段時間內(nèi)傾角傳感器監(jiān)測到的位移坐標(biāo),記錄這些坐標(biāo)點的最小外接圓半徑為r,平均值為O(x2,y2).

步驟4按式(6)構(gòu)造向量組,按式(5)求向量組的各個向量模,并編制各個向量的方位碼.

步驟5遍歷所有監(jiān)測點,根據(jù)式(5)設(shè)定各個監(jiān)測點的向量模報警標(biāo)志.

步驟6對于任一向量組tfi,i=1,2,…,m.

步驟7當(dāng)組內(nèi)處于報警狀態(tài)的監(jiān)測點數(shù)目大于等于2且小于m/2時,發(fā)出預(yù)警信號.

步驟8當(dāng)組內(nèi)處于報警狀態(tài)的監(jiān)測點數(shù)目大于等于m/2的方位碼一致,或者監(jiān)測點向量模大于安全人員撤離報警閾值時,發(fā)出坍塌報警信號.

根據(jù)報警算法進(jìn)行高支模坍塌安全監(jiān)測.

3 實驗驗證

為驗證高支模坍塌監(jiān)測模型的有效性,設(shè)計了一個驗證實驗,實驗?zāi)＜艿目v橫步距如圖3所示，一個縱向3×1 500 mm,橫向1×1 600 mm,步距2 500 mm,高度8 m的鋼管腳手架平臺,施加12 t載荷,通過構(gòu)造缺陷尋找坍塌監(jiān)測特征.

圖3 鋼管腳手架平臺示意圖Fig.3 Sketch map of steel pipe scaffold platform

4 有限元模型分析

對該實驗對象建立有限元模型如圖4所示,進(jìn)行有限元分析,當(dāng)載荷集中在某一點的過程中,相關(guān)監(jiān)測點的位移如圖5所示.

圖4 建立的有限元模型Fig.4 Building the finite element model

圖5 監(jiān)測點的有限元分析結(jié)果Fig.5 The finite element analysis results of

可以看出,出現(xiàn)坍塌的立桿(A點)其向量模已經(jīng)達(dá)到180 mm,最遠(yuǎn)處立桿(E點)此時向量模達(dá)到20 mm.

實驗過程中,在每一個立桿上安裝剛度儀測量側(cè)向位移及傾角,施加載荷8.5 t,放置在平臺上10 min,設(shè)備記錄數(shù)據(jù).從外觀看,架體變形很大,架體發(fā)出變形時吱吱的響聲,桿件變形很嚴(yán)重,而且隨著時間的推移架體仍在繼續(xù)變形,卸荷載后有較大的永久變形.經(jīng)討論,一致認(rèn)為架體已失穩(wěn),處于坍塌狀態(tài).實測數(shù)據(jù)如圖6所示.

圖6 實測數(shù)據(jù)分析結(jié)果Fig.6 Analysis results of measured data

證明當(dāng)出現(xiàn)某立桿失穩(wěn)時,距離失穩(wěn)立桿4.7 m的立桿位移達(dá)到毫米級,是可測的.

在坍塌臨界狀態(tài)時的數(shù)據(jù)如表1所示.

實驗中，臨界狀態(tài)表中各點的數(shù)值均大于許用值，這表明本文的坍塌安全特征模型能有效識別坍塌臨界狀態(tài).

表1 坍塌臨界狀態(tài)Tab.1 The critical state of collapsing

5 結(jié)語

本文基于立桿的失穩(wěn)分析，統(tǒng)計了多個高支模坍塌事故特征，確定了以高支模立桿頂端位移特征為坍塌特征的監(jiān)測方案.通過建立由多立桿側(cè)向位移矢量及其軌跡分布距離構(gòu)成的向量組高支模坍塌安全報警模型，設(shè)計相應(yīng)的報警算法，實現(xiàn)了高支模坍塌預(yù)警實時監(jiān)測.經(jīng)實驗驗證該監(jiān)測模型能標(biāo)識高支模坍塌過程，在坍塌臨界點具有明顯的突變，對于監(jiān)測高支模坍塌預(yù)警是可行有效的.對高大模板工程中模板支撐體系安全實時坍塌監(jiān)控具有重要意義.