高大模板支撐系統(tǒng)實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

吳福成，葉建新，繆 丹

（1、廣州廣檢建設(shè)工程檢測(cè)中心有限公司 廣州 510405；2、廣東省建筑物健康監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警工程技術(shù)研究中心 廣州 510405）

0 引言

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速推進(jìn)，現(xiàn)代建筑的規(guī)模不斷增大，高凈空、大跨度的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)成為建筑領(lǐng)域的主要趨勢(shì)。為了滿足這一需求，高大模板支撐結(jié)構(gòu)作為一種通用性強(qiáng)、施工方便、整體剛度較好、承載能力較大的解決方案得到了廣泛應(yīng)用［1-4］。隨之而來的是對(duì)模板工程生產(chǎn)安全管理要求的不斷提升，國(guó)家和各省市相關(guān)主管部門相繼出臺(tái)了一系列文件和規(guī)范，旨在加強(qiáng)對(duì)高大支模工程施工過程的安全管理。與此同時(shí)，過去發(fā)生的模板支撐系統(tǒng)坍塌事故和安全隱患引得了工程界對(duì)高大支模工程施工過程連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的日益增長(zhǎng)需求。為減少工程事故的發(fā)生，降低生命和財(cái)產(chǎn)損失，借助傳感和通訊技術(shù)的進(jìn)步以及工程經(jīng)驗(yàn)的積累，引入實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)已成為必然選擇［5-6］。與傳統(tǒng)的人工光學(xué)儀器觀測(cè)方法相比，實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠解決傳統(tǒng)方法監(jiān)測(cè)的參數(shù)、空間和時(shí)間的盲區(qū)。除了能按傳統(tǒng)方法監(jiān)測(cè)支撐系統(tǒng)的變形外，還能實(shí)時(shí)、直觀地反饋支撐結(jié)構(gòu)受力和變形的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化。首先，通過數(shù)值模擬研究高大支模的受力變形和破壞機(jī)理，明確評(píng)估高大支模工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)參數(shù)。其次，借助自動(dòng)化和信息化手段，建立高支模實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)警報(bào)系統(tǒng)。系統(tǒng)集成了高支模破壞機(jī)理、數(shù)值模擬、典型事故案例分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的成套技術(shù)，可以對(duì)支撐系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)分析傳送和自動(dòng)報(bào)警，以主動(dòng)發(fā)現(xiàn)和解決潛在安全隱患，提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。此外，通過巡視檢查作為補(bǔ)充方法，可以進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)預(yù)警的有效性。通過實(shí)際工程可以證明，該系統(tǒng)應(yīng)用將為高大支模工程的施工安全和質(zhì)量提供有力的支持和保障，為未來的建筑工程提供更安全、更可靠的支撐系統(tǒng)，從而減少事故風(fēng)險(xiǎn)，保障工程順利進(jìn)行和人員安全，并促進(jìn)工程施工安全管理的進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展。

1 數(shù)值模擬

運(yùn)用SAP2000 軟件，建立了高支模支架體系的有限元模型，計(jì)算分析了支架體系的模態(tài)振型、軸力、應(yīng)力及位移。然后分析了偏載（水平荷載）、連接件、地基沉降等對(duì)支架體系整體穩(wěn)定承載力的影響。

1.1 有限元模型

1.1.1 模型建立

高支模支架有限元模型如圖1所示，使用桿件規(guī)格均為Q235，直徑為48 mm，厚3.5 mm鋼管。其中，縱向共18跨（X方向），橫向共8跨（Y方向），豎向共10步（Z方向）?？v向跨寬為1.0 m，橫向跨寬為0.8 m，豎向步寬為1.2 m；掃地桿距地20 cm，立桿頂部伸出橫桿20 cm；模型總高為12.4 m。豎向連續(xù)式剪刀撐設(shè)置在外側(cè)周圍和中間（縱向每隔6跨），并設(shè)置水平剪刀撐（掃地桿處開始）。

圖1 有限元模型示意圖Fig.1 Diagram of Finite Element Model

1.1.2 模型荷載

支架結(jié)構(gòu)的荷載主要來源于混凝土、模板和施工作業(yè)等，并根據(jù)《建筑施工門式鋼管腳手架安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：JGJ/T 128—2019》［7］和《施工腳手架通用規(guī)范：GB 55023—2022》［8］要求，恒、活荷載的分項(xiàng)系數(shù)分別為1.2和1.4：

⑴恒荷載，有支架自重、其上部混凝土及模板自重所產(chǎn)生的荷載，為40 kPa均布荷載；

⑵活荷載，施工人員及機(jī)具運(yùn)輸堆放的荷載，為2.5 kPa 均布荷載；以及振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載，為2.5 kPa布荷載。

1.1.3 基本假定

為了方便支架的穩(wěn)定承載力分析，采用以下假設(shè)：

⑴模型為三維空間桿件結(jié)構(gòu)體系，支架的上、下端與模板和底座均為鉸接，剪刀撐與支架為鉸接，立桿單元間為剛接，橫桿單元與立桿單元為半剛性連接；

⑵模型不考慮風(fēng)、地震作用；

⑶支架桿件之間無軸向偏差，所有桿件軸線都在同一框架平面內(nèi)，桿件無初始彎曲且桿件搭設(shè)垂直。

1.2 計(jì)算結(jié)果分析

1.2.1 結(jié)構(gòu)振型分析

模型各階詳細(xì)模態(tài)信息如表1 所示，由振型分析可知：高大支模支架體系剛度較大，結(jié)構(gòu)布置規(guī)整，剛度分布均勻，前六階振型依次為平動(dòng)、平動(dòng)、扭轉(zhuǎn)、平動(dòng)、平動(dòng)、扭轉(zhuǎn)。

表1 支架體系各模態(tài)頻率及周期Tab.1 The Modal Frequency and Period of Support System

1.2.2 結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)支架受力分析，可以得出以下結(jié)論：

⑴水平桿不受力或承受拉力，水平縱桿和水平橫桿基本不受力，水平剪刀撐承受拉力，其中，以水平剪刀撐端部承受拉力最大；

⑵立桿承受軸向壓力，其中底部立桿軸力受力最大；應(yīng)力比較大桿件分布在支架底部且與豎向剪刀撐搭接的立桿上，支架頂部（立面上）及支架中部（平面上）

⑶豎向剪刀撐承受拉力。

1.2.3 結(jié)構(gòu)變形分析

⑴變形姿態(tài)分析（未考慮連接件的情況）

如圖2 所示，支架體系的失穩(wěn)形式為整體失穩(wěn)。內(nèi)、外立桿與橫向水平桿組成的橫向框架，在Y方向上有較大鼓曲。

圖2 YZ立面視角位移示意圖Fig.2 Diagram of YZ Facade Perspective Displacement

⑵變形分布

支架頂部水平位移最大（未考慮連墻件的束縛作用），整體呈現(xiàn)向支架弱剛性方向的大波鼓曲，因此，立面分布上，水平位移最大點(diǎn)分布在以豎向剪刀撐為單元的第一步和最后一步水平桿對(duì)應(yīng)的立桿上，傾斜最大為豎向剪刀撐交叉位立桿上。

1.2.4 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

⑴偏載（水平荷載）對(duì)支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

采用英國(guó)規(guī)范BS5973 推薦的辦法進(jìn)行屈曲分析，研究偏載（水平荷載）對(duì)支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。如圖3 所示，支架的整體穩(wěn)定承載力隨水平荷載的增加而不斷降低。當(dāng)水平虛擬荷載小于1.5%Pu時(shí)，支架的整體穩(wěn)定承載力基本保持不變；當(dāng)水平虛擬荷載大于1.5%Pu時(shí)，隨荷載增加，承載力迅速下降；當(dāng)水平虛擬荷載取4.0%Pu時(shí)，穩(wěn)定承載力降至原來一半。

圖3 偏載（水平荷載）與支架穩(wěn)定承載力關(guān)系示意圖Fig.3 Relationship Diagram between Partial Load（Horizontal Load）and Stability Bearing Capacity of Support

⑵連接件對(duì)支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

在模擬半剛性節(jié)點(diǎn)分析時(shí)，SAP2000 軟件的處理是將橫桿單元兩端的彎矩釋放，再將剛度設(shè)置成某一特定的數(shù)值，以此來模擬節(jié)點(diǎn)的半剛性。為研究連接件對(duì)支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，先將連接件剛度設(shè)置為0 kN·m/rad。隨連接件剛度增大，支架體系的失穩(wěn)形式由內(nèi)、外立桿與橫向水平桿組成的橫向框架，在X方向上呈現(xiàn)大波鼓曲變?yōu)檠豗方向出現(xiàn)大波鼓曲；當(dāng)連接件接近剛接時(shí)，支架體系的失穩(wěn)形式又重新變?yōu)檠豖方向大波鼓曲。

⑶地基沉降穩(wěn)定性的影響

地基的不均勻沉降是高支模支架倒塌破壞的一個(gè)重要原因。當(dāng)?shù)鼗l(fā)生不均勻沉降時(shí)，支架產(chǎn)生局部變形，外荷載向支架某處集中，致使該處承載力不足或不穩(wěn)定而引起整個(gè)結(jié)構(gòu)的倒塌破壞。為模擬地基沉降，分別對(duì)邊跨立桿和中跨立桿底部支座處施加豎向位移，其計(jì)算結(jié)果如圖4所示。邊、中跨沉降對(duì)支架的整體穩(wěn)定承載力影響規(guī)律基本一致。支架承載力隨沉降增加而下降，當(dāng)沉降量小于0.02 m 時(shí)，承載力下降速度較慢；當(dāng)沉降量大于0.02 m 時(shí)，承載力迅速下降，在沉降量為0.2 m 時(shí)，支架的穩(wěn)定承載力僅為無沉降時(shí)的1/4。

圖4 地基沉降與支架穩(wěn)定承載力關(guān)系示意圖Fig.4 Relationship Diagram between Foundation Settlement and Support Stability Bearing Capacity

不同地基沉降下支架的失穩(wěn)形式與支架體系無沉降時(shí)的失穩(wěn)形式相同（支架在YZ平面內(nèi)發(fā)生失穩(wěn)）。當(dāng)發(fā)生地基沉降時(shí)，內(nèi)、外立桿與橫向水平桿組成的橫向框架在Y方向上大波鼓曲變形。隨著沉降量的增加，支架體系的失穩(wěn)形式由整體失穩(wěn)慢慢過渡到局部失穩(wěn)，局部失穩(wěn)破壞時(shí)，立桿在步距之間發(fā)生小波鼓曲。

2 監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)置建議

根據(jù)以上計(jì)算分析，并結(jié)合實(shí)際工程案例通過模擬可能存在的引起支架失穩(wěn)、坍塌的各種因素［9-11］，分析支架的受力分布及變形特征，監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)置建議如下：

⑴支架水平位移：在不考慮連墻件作用下，支架水平位移呈現(xiàn)大波鼓曲，支架整體位移頂部大于其他部位，以豎向剪刀撐劃分，立桿水平位移最大點(diǎn)為1/4及3/4豎向剪刀撐間距處；

⑵支架傾斜：立桿水平位移最大傾斜點(diǎn)為1/2 豎向剪刀撐間距處及豎向剪刀撐交接位置；

⑶立桿軸力：立桿底部與剪刀撐搭接處軸力最大；

⑷基礎(chǔ)沉降：當(dāng)基礎(chǔ)沉降量大于0.02 m 時(shí)，承載力迅速下降；支架中部沉降對(duì)整體承載力較支架邊影響更大；

⑸其他：水平剪刀撐受拉力；偏載對(duì)支架影響巨大，支架不同剛度方向，允許變形值不同，總體原則為剛度較強(qiáng)一側(cè)允許變形值更小。

3 高支模實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)警報(bào)系統(tǒng)

3.1 高支模實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)警報(bào)系統(tǒng)

目前，施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理已有更高要求，然而高支模安全檢測(cè)方法目前主要還停留在傳統(tǒng)的光學(xué)觀測(cè)、人工報(bào)警的基礎(chǔ)上。為此，運(yùn)用信息化、自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)分析傳送、自動(dòng)報(bào)警；對(duì)在建高支模系統(tǒng)進(jìn)行信息化監(jiān)管的模式，克服傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)區(qū)域覆蓋面較小、監(jiān)測(cè)參數(shù)不足、監(jiān)測(cè)不及時(shí)、超限報(bào)警響應(yīng)速度慢、無法實(shí)施統(tǒng)一監(jiān)管等缺點(diǎn)。

如圖5 所示，高支模實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)警報(bào)系統(tǒng)由五大部分組成：壓力、位移、傾角傳感器；數(shù)據(jù)采集儀器；軟件監(jiān)測(cè)平臺(tái)；聲光報(bào)警裝置；后備電源。通過高支模實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)警報(bào)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)高支模體系的安全狀態(tài)，判斷高支模體系狀態(tài)和預(yù)警、報(bào)警功能。

圖5 高支模實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)示意圖Fig.5 Diagram of High Formwork Real-time Monitoring Alarm System

高支模實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)警報(bào)系統(tǒng)采用自動(dòng)化儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，傳感器可以安裝在高支模內(nèi)部的各個(gè)薄弱部位，實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)可以進(jìn)行高頻率的采樣，實(shí)現(xiàn)施工全過程監(jiān)控。系統(tǒng)配有聲光報(bào)警裝置，一旦出現(xiàn)監(jiān)測(cè)值超限，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警功能，通知施工人員避險(xiǎn)。整個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)可以儲(chǔ)存和查詢，為安全監(jiān)管和事后處理提供真實(shí)資料，為高支模管理信息化奠定了基礎(chǔ)。

3.2 巡視檢查方法

高大模板工程澆筑期間使用的實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，以人工巡視檢查作為補(bǔ)充措施，將巡視檢查分為首次巡查與過程巡視檢查。其中，首次巡查將監(jiān)測(cè)工作向前延伸，保證了監(jiān)測(cè)工作與整個(gè)高支模工程的銜接，也對(duì)監(jiān)測(cè)人員的專業(yè)性提出要求；定期巡查則是復(fù)核澆筑過程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)合理性的驗(yàn)證措施。

3.2.1 首次巡查

通過在測(cè)點(diǎn)安裝時(shí)，巡視檢查支撐結(jié)構(gòu)的搭設(shè)是否存在明顯缺陷或不足，及時(shí)反饋支撐結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。首次巡查宜重點(diǎn)關(guān)注以下內(nèi)容：

①頂托自由端長(zhǎng)度；

②立桿間距、水平桿間距、掃地桿；

③基礎(chǔ)形式及立桿墊塊；

③剪刀撐、斜撐的設(shè)置。

3.2.2 定期巡查

在監(jiān)測(cè)過程中，監(jiān)測(cè)人員以監(jiān)測(cè)設(shè)施及施工工況為主要巡查內(nèi)容，其中宜包括施工工況，監(jiān)測(cè)設(shè)施情況，基準(zhǔn)點(diǎn)、參考點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)情況以及是否有影響監(jiān)測(cè)工作的障礙。

4 結(jié)論

高支模實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)警報(bào)系統(tǒng)借助巡視檢查，實(shí)現(xiàn)了高支模監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化、信息化升級(jí)轉(zhuǎn)型，對(duì)建筑工程領(lǐng)域監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展起到了重要推動(dòng)作用。該系統(tǒng)集成了數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等多項(xiàng)技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)分析傳送和自動(dòng)報(bào)警。通過主動(dòng)監(jiān)測(cè)和解決潛在安全隱患，監(jiān)測(cè)管理由被動(dòng)轉(zhuǎn)為主動(dòng)，監(jiān)管由事后搶險(xiǎn)向事前和事中轉(zhuǎn)變，能夠及時(shí)消除工程隱患，保障施工安全。這一創(chuàng)新性系統(tǒng)的應(yīng)用為建筑工程施工安全管理帶來了重大進(jìn)步和改進(jìn)。