高支模低功耗無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制

李 躍 郭興吉,2 趙 欣,3

(1.西南科技大學(xué)城市學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621000；2.綿陽(yáng)師范學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621000；3.綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621000)

高大支撐模板系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為高支模，是指水平混凝土構(gòu)件模板支撐系統(tǒng)高度超過(guò)8 m或跨度超過(guò)18 m、施工總荷載大于10 kN/m2的模板及其支撐系統(tǒng)[1]。模板支撐系統(tǒng)連接構(gòu)件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在工程施工期間高支模受力失衡坍塌的現(xiàn)象頻發(fā)[2]，而且事故通常在工程施工過(guò)程中突然發(fā)生，從而造成群死群傷的惡性傷亡事故，具有事故突發(fā)性和高危性[3]。建筑工程中，模板及安裝支護(hù)體系坍塌事故也成為了行業(yè)內(nèi)多發(fā)的事故領(lǐng)域，造成不良社會(huì)影響和嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失[4]。為確保施工人員生命安全和施工工地安全，對(duì)高支模實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并提前報(bào)警，顯得格外重要。傳統(tǒng)的高支模監(jiān)測(cè)是在支撐桿件上布設(shè)反射片或小棱鏡，利用全站儀進(jìn)行坐標(biāo)及三角高程監(jiān)測(cè)[5]，該方式存在諸多問(wèn)題，如：精度不高；無(wú)法全天候連續(xù)觀測(cè)；自動(dòng)化程度低，需要大量人工監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)人員需在高支模下操作，具備一定危險(xiǎn)性；高支模內(nèi)部結(jié)構(gòu)較密，人工監(jiān)測(cè)時(shí)不具備操作空間，外圍支撐通常附帶安全網(wǎng)，增加了人工監(jiān)測(cè)難度，其監(jiān)測(cè)結(jié)果時(shí)效性和有效性也大大降低。為解決上述問(wèn)題，本文提出了高支模無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，利用電子儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高支模的軸向力、位移、傾角和加速度等參數(shù)，并將該參數(shù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對(duì)，如果超限，則報(bào)警，起到實(shí)時(shí)預(yù)警的作用。同時(shí)該參數(shù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央控制室存檔，以便監(jiān)測(cè)人員實(shí)時(shí)掌握高支模受力和形變動(dòng)態(tài)信息，為今后設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 監(jiān)測(cè)原理

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查和施工人員介紹，高支模出現(xiàn)垮塌的最主要原因有立桿受力過(guò)大而塑性變形、立桿沉降或水平移動(dòng)距離過(guò)大造成整體傾斜、扣件松動(dòng)導(dǎo)致立桿傾斜，本文重點(diǎn)對(duì)上述3種情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

立桿塑性變形監(jiān)測(cè)。在支架頂托與模板之間安裝壓力傳感器，壓力傳感器輸出信號(hào)至立桿軸向力采集節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)將壓力信號(hào)進(jìn)行處理并通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送至中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)將壓力信號(hào)發(fā)送給中央控制室，完成軸向力的采集和傳輸。

立桿移動(dòng)監(jiān)測(cè)。在立桿合適位置安裝角度可變的三軸光柵滑尺，并尋找不動(dòng)的三點(diǎn)作為參照，通過(guò)鋼絲繩將三軸光柵滑尺分別與3個(gè)參考點(diǎn)繃緊連接；立桿沉降和水平位移通過(guò)光柵滑尺測(cè)量立桿與參考點(diǎn)的相對(duì)位置變化來(lái)表征。3個(gè)軸向位移變化信號(hào)通過(guò)光柵尺反饋，傳遞給立桿位移采集節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)將位移信號(hào)進(jìn)行處理并通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送至中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)將位移信號(hào)發(fā)送給中央控制室，完成位移量的采集和傳輸。設(shè)3個(gè)軸線的位移的變化分別是ΔL1，ΔL2,ΔL3，以該節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，垂直于被支撐物長(zhǎng)度方向?yàn)閤軸，平行于被支撐物長(zhǎng)度方向?yàn)閥軸，垂直于地面為z軸，建立坐標(biāo)系，三線與yoz平面的夾角分別是α1,α2,α3，與xoz平面的夾角分別是β1,β2,β3，與xoy平面的夾角為γ1,γ2,γ3。由此可知：

(1)

式中ΔLx為x軸上的變化位移，ΔLy為y軸上的變化位移，ΔLz為z軸上的變化位移，根據(jù)ΔLx，ΔLy和ΔLz的符號(hào)和大小，即可判斷立桿的移動(dòng)趨勢(shì)。

立桿傾斜監(jiān)測(cè)。立桿傾斜通過(guò)桿件傾角表征。傾角通過(guò)安裝在桿件上的陀螺儀進(jìn)行測(cè)量。安裝完成后初次測(cè)得數(shù)據(jù)標(biāo)記為初始角度，后定期監(jiān)測(cè)角度變化。

低功耗監(jiān)測(cè)。由于工地現(xiàn)場(chǎng)均為臨時(shí)線纜，且隨時(shí)移動(dòng)，沒(méi)有穩(wěn)定的供電來(lái)源，因此，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)選擇電池供電的方式。受電池容量和工地現(xiàn)場(chǎng)條件限制，同時(shí)為保證監(jiān)測(cè)的有效性和長(zhǎng)期性，采用間隔采集的方式以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的低功耗，從而確保該系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。為了避免在采集間隔時(shí)間內(nèi)各個(gè)被監(jiān)測(cè)參數(shù)突變而遺漏采集，在監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)增加加速度傳感器，該傳感器平時(shí)處于低功耗狀態(tài)，當(dāng)有突變，立即輸出信號(hào)喚醒信號(hào)采集終端，對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行采集，并及時(shí)上報(bào)。

設(shè)節(jié)點(diǎn)電池總能量為Eb，休眠時(shí)能耗為Ps，檢測(cè)所需能量為Pd，設(shè)突變量的產(chǎn)生服從參數(shù)為λc的指數(shù)分布，節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間為T，則節(jié)點(diǎn)所消耗能量的均值服從

(2)

從(2)式可得到節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間T滿足：

(3)

其中，td表示檢測(cè)持續(xù)時(shí)間，Nd表示生存期內(nèi)周期檢測(cè)次數(shù)。當(dāng)休眠功耗、檢測(cè)頻率及檢測(cè)所需能量一定時(shí)，從(3)式可以看出，節(jié)點(diǎn)持續(xù)時(shí)間主要受參數(shù)λc影響，即λc增大時(shí)，T將變大，當(dāng)λc無(wú)窮大，即幾乎沒(méi)有突變情況發(fā)生時(shí)，此時(shí)，T可取得的最大值變?yōu)?/p>

(4)

因此，本文對(duì)立桿的主要監(jiān)測(cè)參數(shù)為：軸向力、位移、傾角和加速度。

2 監(jiān)測(cè)方案與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總方案

為提高系統(tǒng)可靠性，對(duì)立桿進(jìn)行軸向力、位移、傾角和加速度4個(gè)量的監(jiān)測(cè)。將被監(jiān)測(cè)立桿視作一個(gè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)如圖1所示監(jiān)測(cè)方案。

圖1 系統(tǒng)總方案Fig.1 General scheme of the system

每個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)利用無(wú)線方式傳輸至其對(duì)應(yīng)中繼，中繼再統(tǒng)一將數(shù)據(jù)打包，傳輸至中央控制器。中央控制器根據(jù)人為的設(shè)置條件進(jìn)行判斷，如果超過(guò)限定值，則進(jìn)行預(yù)警。同時(shí)中央控制器可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)及圖文顯示，方便記錄及查閱。

2.2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)

每個(gè)節(jié)點(diǎn)均需要監(jiān)測(cè)其軸向力、位移、傾角和加速度4個(gè)參數(shù)，由于工地現(xiàn)場(chǎng)均為臨時(shí)線纜，沒(méi)有穩(wěn)定的供電來(lái)源，加上工地現(xiàn)場(chǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜的環(huán)境，無(wú)法布置有線通信線纜，因此監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)選擇電池供電的方式，信號(hào)傳輸選擇藍(lán)牙傳輸。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of monitoring node

由于采用電池供電，工地現(xiàn)場(chǎng)安裝、維護(hù)和更換都比較麻煩，為保證監(jiān)測(cè)的有效性和長(zhǎng)期性，采用低功耗方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即采集頻率不宜過(guò)高。同時(shí)為了避免在采集間隔時(shí)間內(nèi)各個(gè)被監(jiān)測(cè)參數(shù)突變而遺漏采集，在監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)增加加速度傳感器，該傳感器平時(shí)處于低功耗狀態(tài)，當(dāng)有突變，立即輸出信號(hào)喚醒信號(hào)采集終端，對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行高密度采集，并及時(shí)上報(bào)。

2.3 信號(hào)采集和處理

由于傳感器較多，本文僅以軸向力傳感器為對(duì)象闡述其信號(hào)采集和處理過(guò)程。設(shè)計(jì)了如圖3所示信號(hào)采集和處理電路。

選擇量程為50 kN的軸向力傳感器，其參數(shù)如表1所示。

表1 軸向力傳感器參數(shù)Table 1 The parameters of axial force sensor

圖3 軸向力采集和處理電路Fig.3 The circuit of axial force acquisition and processing

圖3中，該電路的差模-3 dB帶寬為：Fdiff=1/2πR1(2C4+C3)=177 Hz：共模-3 dB帶寬為：FCM=1/2πR1C3=7.96 kHz；選擇ADS8509作為AD采集芯片，最后將信號(hào)利用SPI數(shù)字輸出。

3 工程應(yīng)用

3.1 傳感器布置

本文以某工程橋梁高支模變形監(jiān)測(cè)為例，監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)如圖4所示。在同一立桿上安裝軸向力、位移、傾角和加速度傳感器，本方案采用間隔式安裝。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置完成后，利用中央控制器設(shè)置監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)周期性自動(dòng)化觀測(cè)。通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)的持續(xù)的周期性觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算、儲(chǔ)存和比對(duì)，從而進(jìn)行節(jié)點(diǎn)安全與穩(wěn)定性分析，為預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 數(shù)據(jù)采集與分析

由于整個(gè)過(guò)程都需要進(jìn)行周期性監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)量大，本文選擇其中部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行呈現(xiàn)和分析。數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2為平時(shí)靜止時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)3為澆筑施工時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2所處立桿承受軸力遠(yuǎn)小于鋼材允許應(yīng)力，位移、傾角和加速度均小于設(shè)定報(bào)警閾值；節(jié)點(diǎn)3數(shù)據(jù)有較大變動(dòng)，是因?yàn)闈仓┕r(shí)外界載荷波動(dòng)引起的。通過(guò)軟件設(shè)置，在數(shù)據(jù)變化較大時(shí)，各個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔減小，從而加大監(jiān)測(cè)力度。節(jié)點(diǎn)3軸向力持續(xù)增加，位移也增加較大，但傾角數(shù)據(jù)變化較小，可以得出是由于載荷增加引起高支模整體沉降的結(jié)論，加速度數(shù)據(jù)較大波動(dòng)是外界突然強(qiáng)加外力所致，當(dāng)外力消失，加速度幾乎沒(méi)有變化。由于軸向力和位移均處于安全范圍，因此節(jié)點(diǎn)3所在立桿也安全。但需繼續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)，直到軸向力趨于平穩(wěn)。

圖4 監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)Fig.4 Layout of monitoring network

表2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 The data of monitoring

4 結(jié)論

本文以實(shí)際工程為例，通過(guò)高支模低功耗無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，準(zhǔn)確測(cè)定出該高支模體系在預(yù)壓狀態(tài)下仍然處于安全狀態(tài)。高支模低功耗無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與以往人工通過(guò)光學(xué)監(jiān)測(cè)儀器比較，其在監(jiān)測(cè)力度，監(jiān)測(cè)精度和監(jiān)測(cè)的靈活性方面有較大優(yōu)勢(shì)。加速度傳感器的引入，為低功耗提供了先決條件，低功耗設(shè)計(jì)為無(wú)線傳輸?shù)於藞?jiān)實(shí)基礎(chǔ)，利用無(wú)線傳輸使得系統(tǒng)整體安裝方便快捷，再加上軟件靈活的設(shè)置和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)全存儲(chǔ)、分析、判斷及處理，使該系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。