遠程實時模架安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用*

牛學(xué)超，黨 策，岳中文

(1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042； 2.北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100018；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

0 引言

模架倒塌已成為建筑事故主要類型，倒塌事故由多種因素造成，包括模架自身特性。由于模架屬于超靜定結(jié)構(gòu)，連接節(jié)點為半剛性，存在較多理論分析問題，給模架設(shè)計帶來一定困難。受多種人為因素的影響，難以按設(shè)計要求進行模架搭設(shè)，使模架使用時存在安全隱患。多位學(xué)者基于不同角度研究了模架變形模態(tài)、節(jié)點半剛性和穩(wěn)定計算方法等[1-2]，如謝楠等[3]通過實驗室試驗和現(xiàn)場試驗分析了模架立桿承載力，施炳華等[4-5]和杜榮軍[6]均對立桿計算長度取值進行了研究。多數(shù)研究采用數(shù)值模擬、理論分析方法，部分研究采用物理模型試驗方法。為保證模架使用安全穩(wěn)定，需對其進行受力與變形實時監(jiān)測。

鑒于施工現(xiàn)場缺少成熟的模架安全監(jiān)測儀器，筆者在多年試驗研究的基礎(chǔ)上[7-9]，研發(fā)了遠程實時模架安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)在多個模架工程中完成了性能測試，已達實際應(yīng)用水平。

1 研發(fā)背景

自2014年以來，筆者先后研發(fā)6套模架安全監(jiān)測儀器。研發(fā)初期主要利用監(jiān)測儀器采集模架位移，因模架位移具有協(xié)調(diào)性，僅通過監(jiān)測某點水平位移與豎向位移便可掌握一定區(qū)域模架位移，其中，模架水平位移對判斷模架穩(wěn)定性至關(guān)重要。隨著對監(jiān)測儀器研究的不斷深入及對模架受力與變形規(guī)律認識的不斷加深，逐步優(yōu)化監(jiān)測參數(shù)，減少部分監(jiān)測參數(shù)，從而實現(xiàn)監(jiān)測儀器安裝方便、數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定，并通過4G數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實現(xiàn)模架安全監(jiān)測信息化。

1.1 第1代監(jiān)測儀器

根據(jù)模架變形監(jiān)測原理，利用彈簧、鋼絲繩、百分表、滑輪等制作模架安全監(jiān)測儀器，即第1代監(jiān)測儀器(見圖1)。通過螺絲釘將彈簧、滑輪固定在木板兩端，并將百分表固定在木板上，將百分表探針固定在鋼絲繩上，利用百分表探針變形量等于鋼絲繩伸長量或收縮量的原理，實現(xiàn)直觀監(jiān)測模架變形的目的。

圖1 第1代監(jiān)測儀器

1.2 第2代監(jiān)測儀器

第2代監(jiān)測儀器位移傳感器外形尺寸為74mm×74mm×323mm(長×寬×高)，外殼由硬鋁加工而成，并進行表面處理(見圖2)。將百分表、彈簧和滑動板進行有效連接，采用拉繩傳遞位移，當(dāng)固定在模架上的鋼絲繩長度發(fā)生變化時，帶動彈簧變形，通過滑動板傳遞給百分表，百分表讀數(shù)即為模架變形量。另設(shè)1套角度傳感器，將桿件角度變化與位移變化相結(jié)合，從而計算模架水平位移與豎向位移。由于位移傳感器和角度傳感器均能輸出電信號，可通過數(shù)據(jù)采集儀采集數(shù)據(jù)。第2代監(jiān)測儀器的優(yōu)點是可在雨水或潮濕等復(fù)雜環(huán)境中工作，具有良好的抗腐蝕性、強度及抗沖擊能力，但制作加工工藝復(fù)雜，位移傳感器與地面固定困難，且存在一定采集誤差。

圖2 第2代監(jiān)測儀器

1.3 第3代監(jiān)測儀器

第3代監(jiān)測儀器將雙軸傾斜儀與位移采集儀進行整合(見圖3)，提高了數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性，雖仍采用拉繩傳遞位移，但改進了角度測斜裝置與位移采集裝置，實現(xiàn)了現(xiàn)場快速安裝和快速調(diào)試。第3代監(jiān)測儀器首次采用了ZigBee數(shù)據(jù)傳輸方式(見圖4)，實現(xiàn)了500m近程無線信號傳輸。

圖3 第3代監(jiān)測儀器

圖4 無線信號傳輸示意

1.4 第4代監(jiān)測儀器

為克服第3代監(jiān)測儀器測點選擇困難和誤差較大的缺點，設(shè)計并制作了第4代監(jiān)測儀器(坡面激光位移監(jiān)測儀器)，如圖5所示。第4代監(jiān)測儀器由3個激光傳感器和1個四棱臺組成，利用激光傳感器采集距離，利用四棱臺3個面反射3個激光傳感器光程，利用3個面幾何關(guān)系計算模架水平位移與豎向位移。該監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)采集可靠，省去角度測量，可同時監(jiān)測x，y向水平位移與豎向位移，但激光傳感器安裝較困難、耗時較長，不宜在施工現(xiàn)場使用。

圖5 第4代監(jiān)測儀器

1.5 第5代監(jiān)測儀器

第5代監(jiān)測儀器(圖像激光位移監(jiān)測儀器)采用圖像識別技術(shù)，由數(shù)據(jù)采集儀、垂球、激光測距儀和攝像頭組成(見圖6)。在測點處固定特制垂球，在垂球中安設(shè)小型激光測距儀，激光照至毛玻璃上，毛玻璃安設(shè)在圓筒中，圓筒下方安設(shè)攝像頭，利用攝像頭拍攝到的激光點位置計算測點水平位移，利用激光測距儀變化計算測點豎向位移。第5代監(jiān)測儀器安裝方便，圖像識別技術(shù)先進，毛玻璃中間位置處監(jiān)測到的水平位移準(zhǔn)確，但毛玻璃邊緣監(jiān)測到的數(shù)據(jù)誤差較大。

圖6 第5代監(jiān)測儀器

1.6 第6代監(jiān)測儀器

第6代監(jiān)測儀器利用遠程實時模架安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行位移監(jiān)測(見圖7)，采用有線或無線的方式進行近程數(shù)據(jù)采集，滿足現(xiàn)場施工要求；采用4G數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集，滿足長期安全監(jiān)測要求。工程應(yīng)用表明，該儀器具有良好的監(jiān)測效果。

圖7 第6代監(jiān)測儀器

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概況

遠程實時模架安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可利用荷載傳感器、振弦式應(yīng)變傳感器、針式高精度位移傳感器和激光位移傳感器監(jiān)測桿件受力、變形等有關(guān)參數(shù)，具有近程監(jiān)測、遠程監(jiān)測、實時監(jiān)測和限值報警等功能，采用自行編制的數(shù)據(jù)采集軟件，以數(shù)值和圖像的方式實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)近程狀態(tài)數(shù)據(jù)采集距離為100m，遠程狀態(tài)數(shù)據(jù)采集距離無限制，水平位移量程為10mm(精度為0.5mm)，豎向位移量程為50mm(精度為0.5mm)，應(yīng)變量程為2 000με，荷載量程為100kN(精度為0.1kN)。

利用遠程實時模架安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行荷載監(jiān)測時，將荷載傳感器安放在立桿頂端U形托與托梁之間，將荷載傳感器導(dǎo)線連至數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，并將數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊連至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。進行位移監(jiān)測時，采用特制垂球，將垂球吊點作為監(jiān)測點，將x，y，z向激光束投射到垂球上，并將激光器連至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用振弦式應(yīng)變傳感器采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，根據(jù)需要連接針式高精度位移傳感器。目前，主要應(yīng)用該系統(tǒng)采集荷載與位移數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)可通過有線或無線的方式傳至計算機，計算機可進行數(shù)據(jù)實時顯示，進而根據(jù)荷載-位移曲線判斷模架安全工作狀態(tài)。

3 工程應(yīng)用

1)北京市某機場

北京市某機場地下1層采用27m×2.5m×2.2m(長×寬×高)預(yù)應(yīng)力混凝土梁，單梁重達270t，施工時采用新型盤扣式模板支撐架。在混凝土澆筑期間，利用遠程實時模架安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成了模架受力與變形監(jiān)測，通過與現(xiàn)場施工的密切配合，保證了施工安全。

2)北京城市副中心某醫(yī)院

北京城市副中心某醫(yī)院直線加速器機房底板和頂板均厚1.5m，樓板自重達76.6kN/m2。施工期間利用遠程實時模架安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對關(guān)鍵梁、板和墻下模架進行受力與變形監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，多次調(diào)整混凝土澆筑方案，保證了施工安全。

3)北京知蜂堂蜂產(chǎn)品辦公樓

北京知蜂堂蜂產(chǎn)品辦公樓采用大跨度梁結(jié)構(gòu)，施工采用高8.8m的高大模板支撐系統(tǒng)。根據(jù)模架設(shè)計說明書，選擇合理的測點位置，在主梁混凝土澆筑期間利用遠程實時模架安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對模架應(yīng)變、荷載和位移等進行監(jiān)測，保證了混凝土澆筑期間的模架安全。

4)京燕飯店業(yè)務(wù)綜合樓

京燕飯店業(yè)務(wù)綜合樓地下室梁支模高8.3m，采用型鋼作為橫桿，并在型鋼上組立立桿。由于支撐方式特殊，為保證施工安全，在混凝土澆筑期間利用遠程實時模架安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對模架進行安全監(jiān)測，主要監(jiān)測立桿應(yīng)力與變形。

5)中鋁科學(xué)技術(shù)研究院科技樓

中鋁科學(xué)技術(shù)研究院科技樓施工時采用17.18m高模架，在4層頂板表面組立支撐架，該工程模架系統(tǒng)具有高度大、類型新、搭設(shè)時間長等特點。隨施工進度不斷改進監(jiān)測方案，利用遠程實時模架安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成了對高大模板支撐系統(tǒng)荷載、位移的監(jiān)測，實現(xiàn)了遠程4G數(shù)據(jù)傳輸，并應(yīng)用限值報警技術(shù)保證了現(xiàn)場施工安全。

4 結(jié)語

1)在模架安全監(jiān)測儀器設(shè)計與應(yīng)用過程中，立桿荷載、桿件測點應(yīng)變、模架豎向位移等較易采集，而模架水平位移較難采集。

2)拉繩式、激光測距式、圖像識別式等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不易監(jiān)測模架水平位移，可利用激光垂球進行監(jiān)測。

3)遠程實時模架安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用模架受力破壞與立桿屈曲原理，對監(jiān)測參數(shù)進行了精簡，已應(yīng)用于多個工程中。工程應(yīng)用表明，該系統(tǒng)安裝簡單、操作方便、穩(wěn)定性好，可實現(xiàn)近程、遠程信號傳輸與限值報警，具有良好的監(jiān)測效果。