模架安全監(jiān)測(cè)技術(shù)在高支模工程中的應(yīng)用*

崔加文，郝建敏，宮廣娟，牛學(xué)超，劉冬熠，李 桐

(1.中國建筑股份有限公司，北京 100029； 2.北京財(cái)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，北京 101101；3.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042)

0 引言

近年來，模架倒塌安全事故占建筑總安全事故的比例為20%～40%，建筑相關(guān)規(guī)范里無專門針對(duì)模架監(jiān)測(cè)的詳細(xì)規(guī)定[1-2]。目前控制高支模安全的主要手段是專家論證會(huì)，然而安全論證存在一定的人為因素。為此，在大量實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)模架受力變形理論，研制出一套數(shù)字式遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)模架安全監(jiān)測(cè)設(shè)備，獲得國家專利。采用第五代產(chǎn)品與中國建筑工程總公司合作，在中鋁科學(xué)技術(shù)研究院綜合樓施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用，保證了高度>17m的高支模施工安全。監(jiān)測(cè)工作可實(shí)現(xiàn)澆筑混凝土過程中實(shí)時(shí)掌握模架受力變形狀態(tài)，減少施工的盲目性，增強(qiáng)建筑信息化施工水平。

1 模架監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.1 監(jiān)測(cè)方法

采用遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)模架安全監(jiān)測(cè)方法，以模架立桿荷載、位移、應(yīng)變等參數(shù)作為安全控制指標(biāo)。傳感器布置方法為:在立桿頂部U托和承載梁之間布置荷載傳感器；在立桿頂部固定1個(gè)小橫桿，橫桿端部固定測(cè)量拉繩，拉繩下方連接位移傳感器；通過受力分析，在立桿重點(diǎn)位置粘貼或固定應(yīng)變傳感器。傳感器均通過信號(hào)線連接至數(shù)據(jù)采集儀，采集儀通過信號(hào)線連接近程無線模塊或4G遠(yuǎn)程無線模塊，實(shí)現(xiàn)近程或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)通過無線傳送至計(jì)算機(jī)，由軟件記錄并實(shí)時(shí)顯示采集數(shù)據(jù)和與之對(duì)應(yīng)的曲線?；炷翝仓陂g每隔2～5s采集1次數(shù)據(jù)，養(yǎng)護(hù)期間每隔5s至24h采集1次數(shù)據(jù)。

1.2 監(jiān)測(cè)儀器

采用北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院模架研究團(tuán)隊(duì)自行研制的MTS-1型模架遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)字式數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)字式荷載傳感器、針式位移傳感器、激光位移傳感器和振弦式應(yīng)變傳感器、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸4G模塊等組成。

數(shù)字式數(shù)據(jù)采集儀采集頻率10～100kHz，電壓±10V，應(yīng)變?yōu)椤? 000με，橋路/差分±5V，±5mV， 失真度≤0.5%，動(dòng)態(tài)特性總諧波失真<1%(@1kHz)。針式位移傳感器量程50mm，精度0.01mm，分辨率0.005mm，供電電壓DC12V；激光位移傳感器測(cè)量距離0.05～200m，測(cè)量精度±0.5mm， 電源電壓6～30V；振弦式應(yīng)變位移傳感器主要參數(shù)量程為±1 500με， 靈敏度1με(0.1Hz)。

實(shí)測(cè)時(shí)可根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)具體情況，選擇模架荷載、豎向變形、水平變形和應(yīng)變等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過對(duì)模架進(jìn)行受力分析，并結(jié)合以往監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，本次采用模架立桿荷載和模架豎向位移監(jiān)測(cè)技術(shù)。

1.3 監(jiān)測(cè)安全標(biāo)準(zhǔn)

1.3.1模架安全荷載

根據(jù)立桿穩(wěn)定性和規(guī)范計(jì)算模架安全荷載[1]，單個(gè)立桿穩(wěn)定荷載值計(jì)算如下。

1)不考慮風(fēng)荷載時(shí)，立桿穩(wěn)定性計(jì)算公式為：

Nmax≤φA[f]

(1)

式中：Nmax為立桿穩(wěn)定軸心壓力最大允許值；φ為軸心受壓立桿的穩(wěn)定系數(shù),根據(jù)長細(xì)比l0/i在規(guī)范查表取值(l0為計(jì)算長度；i為計(jì)算立桿的截面回轉(zhuǎn)半徑)；A為立桿凈截面面積，A=450mm2；[f]為鋼管立桿抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，[f] = 300.00N/mm2。

按照懸臂端計(jì)算，l0=h′+2ka=1 000mm+2×0.7×450mm=1 630mm；按照最大步距計(jì)算，l0=1.2h=1.2×1 500mm=1 800mm。其中，h′為支架立桿頂層水平步距(mm)；k為懸臂計(jì)算長度折減系數(shù)，取0.7；a為支架可調(diào)托座支撐點(diǎn)至頂層水平桿中心線的距離，取450mm；h為最大步距，h=1 500mm。 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，取懸臂計(jì)算和最大步距計(jì)算結(jié)果較大值1 800mm作為立桿計(jì)算長度。

由式(1)計(jì)算可得，無風(fēng)條件下立桿穩(wěn)定荷載值為49.68kN。

2)考慮風(fēng)荷載時(shí)，立桿穩(wěn)定性計(jì)算為：

由組合風(fēng)荷載公式：

(2)

得：

(3)

式中：Nmax，φ，f，A含義同上；W為立桿凈截面模量(抵抗矩),W=4.729×103mm3；MW為計(jì)算立桿風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值產(chǎn)生的彎矩(N·mm)。

風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值產(chǎn)生的立桿段彎矩MW為：

(4)

式中：Wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，為0.072kN/m2[3]；la為立桿迎風(fēng)面間距，取1.50m；l0為與迎風(fēng)面垂直方向立桿間距，取1.50m；Pr為風(fēng)荷載產(chǎn)生的內(nèi)外排立桿間橫桿支撐力。

計(jì)算可得，風(fēng)荷載條件下立桿穩(wěn)定荷載值為51.265kN。比較無風(fēng)條件下立桿穩(wěn)定荷載為49.68kN，取較小值，即立桿穩(wěn)定安全荷載為49.68kN。

1.3.2模架位移安全值

參考規(guī)范[1]，結(jié)構(gòu)豎向變形可取其高度的1/1 000， 由于本架體高度為17.3m，則最大允許變形量為17.3mm。

由于目前國內(nèi)無針對(duì)模架安全監(jiān)測(cè)的具體標(biāo)準(zhǔn)，以上計(jì)算結(jié)論雖然來自相關(guān)規(guī)程，但還需大量實(shí)踐予以驗(yàn)證。另外，規(guī)范對(duì)模架安裝質(zhì)量有嚴(yán)格要求，由于模架結(jié)構(gòu)的特殊性，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間緊，很難對(duì)每個(gè)立桿進(jìn)行嚴(yán)格的安裝質(zhì)量檢查。因此，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)，模架監(jiān)測(cè)團(tuán)隊(duì)還要根據(jù)長期監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，利用測(cè)點(diǎn)受力和變形曲線特征進(jìn)行判斷，以保證施工期間模架安全。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

圖1 高支模監(jiān)測(cè)區(qū)域平面布置

2.2 高支模安全監(jiān)測(cè)

高支模區(qū)域采用荷載和位移監(jiān)測(cè)方法，在L1～L5共5根立桿上布置P1～P5荷載傳感器，立桿和荷載傳感器編號(hào)一致，其中L3，L4屬于小短管立桿，通過2根槽鋼將其上方荷載傳遞給立桿L1，L5，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)立桿L1，L5承受梁板的受力和變形。2個(gè)位移傳感器布置在樓地面，其測(cè)繩分別固定在立桿L1，L5連接的水平鋼管上。傳感器布置如圖2所示。

圖2 傳感器平面布置示意

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

在L1，L5立桿上部布置豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)位移傳感器命名為W1，W2。由于L3，L4通過槽鋼將荷載傳遞至立桿L1，L5，立桿L1測(cè)點(diǎn)位移由荷載P1，P3，P4共同引起，立桿L5測(cè)點(diǎn)位移由荷載P3，P4，P5共同引起。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制荷載-時(shí)間曲線和位移-時(shí)間曲線。

2.3.1板下立桿受力

板下荷載傳感器P1，P5位于主梁兩側(cè)板下，二者受力條件基本相同。P2雖然也位于板下，但東側(cè)有2根次梁，立桿較密，其受力條件與P1，P5不同。板下3個(gè)荷載傳感器荷載與時(shí)間關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 板下荷載-時(shí)間曲線

由圖3可知，P1，P5曲線最大值相當(dāng)，分別為3 286， 3 206N，但達(dá)到最大值的時(shí)間不同，立桿L5上方荷載傳感器P5于2019-06-27 19：45前后達(dá)到最大值，該時(shí)間段主梁及其南側(cè)板處于混凝土澆筑階段；立桿L1上方荷載傳感器P1于2019-06-28 01：33達(dá)到最大值，該時(shí)間段主梁北側(cè)處于混凝土澆筑階段。梁南、北兩側(cè)澆筑混凝土?xí)r，P2曲線均有所表現(xiàn)，但變化均不大，最大值為843N，數(shù)值明顯小于P1，P5，與其所在位置立桿較多有關(guān)，也可能是由于其立桿頂面低于同一主龍骨兩側(cè)的立桿頂面。

2.3.2梁下立桿受力

梁正下方布置P3，P4荷載傳感器，其荷載與時(shí)間關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可知，2條曲線具有很好的一致性，P3，P4最大值分別為4 336， 3 125N， 2019-06-27 19：45前后澆筑過程中變化最大，2019-06-28 01：33前后澆筑梁北側(cè)板時(shí),其受力有所調(diào)整。

圖4 梁下荷載-時(shí)間曲線

2.3.3立桿承受最大荷載

作用在立桿L1 上的荷載有P1，P3，P4，作用在L5上的荷載有P3，P4，P5，由梁板立桿結(jié)構(gòu)特性，計(jì)算得到立桿L1，L5承受的總荷載Q1，Q2為：

(5)

(6)

由式(5)，(6)計(jì)算出立桿L1，L5承受荷載Q1，Q2，如圖5所示。由圖5可知，2個(gè)立桿總荷載變化趨勢(shì)一致，最大值出現(xiàn)在混凝土澆筑期間，養(yǎng)護(hù)期間荷載值變??；混凝土澆筑期間二者有些差別，但混凝土養(yǎng)護(hù)期間基本相同。因此，混凝土澆筑期間是模架危險(xiǎn)時(shí)間段，應(yīng)注意防范并進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。

圖5 立桿L1，L5總荷載-時(shí)間曲線

比較1.3節(jié)計(jì)算得到的立桿穩(wěn)定荷載值49.68kN，立桿L1總荷載最大值為4 964N，立桿L5總荷載最大值為6 380N，二者遠(yuǎn)小于理論穩(wěn)定荷載，因此，理論上監(jiān)測(cè)區(qū)域模架安全可靠。

2.3.4立桿豎向位移

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，立桿L1位移最大值為0.54mm，在梁和板澆筑混凝土前后增值較快；立桿L5位移最大值為4.3mm，主要表現(xiàn)在梁澆筑混凝土?xí)r段，板澆筑混凝土?xí)r段變形很小。

立桿L1，L5均在梁下，最大荷載雖然有差別，但差別不大，而豎向變形相差較大。根據(jù)以往監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，立桿L1變形屬于正常數(shù)值范圍，立桿L5變形屬于異常情況。比較實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)[4-6]可知，在荷載增加過程中位移突然大幅度增加往往由于立桿接頭滑移所致，通常是扣件式立桿變形的主要特征之一。雖然本次監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)采用盤扣式桿件，但接頭處也有可能連接不牢固，因此，L5大變形除了因?yàn)榱喊搴奢d作用外，也有可能是因?yàn)榱U接頭安裝不牢固。

比較架體最大允許變形量17.3mm的安全標(biāo)準(zhǔn)，2個(gè)立桿最大變形未超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，架體處于安全狀態(tài)。

3 結(jié)語

1)自行研制的新一代遠(yuǎn)程模架安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于模架安全監(jiān)測(cè)，方法可行、操作簡單，在中鋁科學(xué)技術(shù)研究院綜合樓施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用獲得成功，可以推廣應(yīng)用。

2)隨著澆筑混凝土位置的變化，個(gè)別立桿荷載和變形有可能減小。在不斷澆筑混凝土而增加模架區(qū)域架體荷載時(shí)，大部分立桿荷載和變形會(huì)下降，但是由于澆筑位置不同，也有個(gè)別立桿荷載和變形相對(duì)上升。

3)混凝土澆筑期間，模架受力變形大，養(yǎng)護(hù)期間逐漸變小。模架安全事故主要發(fā)生在混凝土澆筑過程中，一般不會(huì)發(fā)生在養(yǎng)護(hù)期內(nèi)。因此，混凝土澆筑期間是重點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)段。