李世敏 楊玲 鹿純玉

摘 要：由于設計或施工以及外力作用下，腳手架坍塌的事故屢見不鮮，對腳手架工程的穩(wěn)定性監(jiān)測顯的尤為重要。本文在系統(tǒng)調研的基礎上，分析了腳手架工程失穩(wěn)的內力和外力因素，分析和總結了結構健康監(jiān)測技術應用于腳手架工程穩(wěn)定性監(jiān)測的主要方法，熱點問題和新方法，同時對今后的研究和設計以及施工提出了相關建議。

關鍵詞：腳手架穩(wěn)定性健康監(jiān)測結構振動

1引言

隨著我國經濟和科技的發(fā)展，現代大型結構如高層建筑、橋梁，電視塔等不斷出現并迅速發(fā)展，對腳手架工程的設計和施工的要求也越來越高。近年來因腳手架設計或施工的原因，以及外力因素如臺風，暴雨等的作用下，腳手架失穩(wěn)坍塌的事故屢見不鮮，并造成重大人員傷亡和經濟損失。因此，對腳手架工程的穩(wěn)定性監(jiān)測顯得尤為重要。腳手架是進行建筑工程施工必不可少的裝備和手段，腳手架是為高處作業(yè)人員提供進行操作的必備條件。當腳手架荷載逐漸增加到某一數值時，結構除了按原有變形形式可能維持平衡之外，還可能以其他變形形式維持分支平衡，出現平衡的分支是此種結構失穩(wěn)的標志。結構在失穩(wěn)后呈現彎曲、褶皺、翹曲等喪失原狀而屈曲。把腳手架穩(wěn)定性分為彈性穩(wěn)定、彈塑性穩(wěn)定與塑性穩(wěn)定，任何一種失穩(wěn)現象都可能使結構不能有效地工作。穩(wěn)定問題分為動力穩(wěn)定與靜力穩(wěn)定，上述穩(wěn)定性概念是指靜力穩(wěn)定。在負阻尼情況下，體系的位能隨時間而增大，則體系是動力不穩(wěn)定的。

靜力問題引起的結構變形的監(jiān)測的發(fā)展已經相當成熟，對于結構動力穩(wěn)定性的監(jiān)測在理論上發(fā)展了很多方法[1]。由于腳手架是臨時性工程，腳手架工程穩(wěn)定性的監(jiān)測則被工程人員所忽略，但從當前事故發(fā)展情況來看，對腳手架穩(wěn)定性的監(jiān)測不容忽視。本文在系統(tǒng)調研的基礎上，分析了腳手架工程失穩(wěn)的內力和外力因素，分析和總結了結構健康監(jiān)測技術在腳手架工程穩(wěn)定性監(jiān)測上的應用研究中的主要方法，熱點問題和新方法，以及面臨的主要問題和挑戰(zhàn)，同時對下一步的研究和設計施工工作提出了相關建議，希望能對今后的設計和監(jiān)測工程人員有所啟發(fā)。

2 影響腳手架穩(wěn)定性因素

結構理論對穩(wěn)定問題的研究是在理想化的數學模型上進行的，而實際結構卻并不象數學模型那樣理想，因此實用上需要考慮各種因素的影響。以受壓直桿為例，荷載不可能絕對對準截面中心；桿件本身總會有某種初始彎曲，即所謂“幾何缺陷”；材料本身不可避免地具有某種“組織缺陷”等。這樣，除了彈性模量和桿件的幾何尺寸之外，所有上述各項因素也都不同程度地影響著壓桿的承載力，在結構設計時這種影響常常應予以考慮。除了材料影響腳手架穩(wěn)定性外，還有如下重要因素。

2.1內力因素

腳手架任何一個桿件和節(jié)點都會對腳手架整體穩(wěn)定性與承載能力產生影響。步距對腳手架的臨界荷載關系密切。腳手架的臨界荷載與立桿的長度的平方成反比，它隨腳手架的步距的加大而減少；連墻件的設置同樣至關重要。如果隨意擴大連墻件的豎向間距，就會導致腳手架臨界荷載大大降低，增大了腳手架的立桿的計算長度。由于腳手架的縱向剛度大于腳手架的橫向剛度，如果腳手架發(fā)生整體穩(wěn)定，則腳手架呈現出外力桿與橫向桿組成的橫向框架沿垂直與主體結構的大波彎曲現象。整體失穩(wěn)破壞始于連接墻件、橫向剛度或彎曲較大的部位，如果連接墻件豎向間距較大，則彎曲波長較長，腳手架失穩(wěn)就越嚴重。連接墻件的存在是對立桿起到一個中間支座的作用；掃地桿的設置同樣對腳手架穩(wěn)定性起到關鍵性作用。掃地桿在腳手架中主要起到對立桿的約束作用，起到降低立桿計算長度的作用。腳手架設計中將一個腳手架段計算簡化為按單軸心受壓桿來計算，而公式中的h指的是掃地桿到上步縱向水平桿的步距，而規(guī)定中確定的腳手架首步架高為1.5m指的就是掃地桿的步距。腳手架立桿長度計算公式為[2]

(1)

其中為立桿計算長度系數，為立桿計算長度參照系數。如果實際施工中忽視對掃地桿進行控制、檢查，會造成的加大，加大了腳手架的長度計算，從而降低腳手架的承載力，導致腳手架穩(wěn)定性降低；立桿橫距對腳手架穩(wěn)定性的影響。加大立桿橫距，在其他條件不變的情況下，會加大立桿的長度計算系數，導致腳手架臨界承載力下降；剪力撐對腳手架穩(wěn)定性影響因素。剪力撐的存在將腳手架立桿連接在一起，提高了腳手架整體的空間剛度，也提高腳手架的整體穩(wěn)定性；扣件的擰緊程度的影響?？奂臄Q緊程度越高，則腳手架的壓桿類型可近似的向兩端固定接近，可大大降低腳手架的立桿計算長度，提高腳手架的承載能力。

2.2外力因素

風荷載是空氣流動形成的風在遭遇建筑物時，在建筑物表面產生的壓力或吸力。風荷載與風的性質、建筑物所處的地貌及周圍環(huán)境有關，同時也與建筑物本身的體型、高度等有關。風荷載是導致腳手架失穩(wěn)的最主要的外力因素，工程中常常發(fā)生因強風作用引起的外力超過腳手架極限承載力而導致垮塌造成人員傷亡和經濟損傷。再者是風振作用，風的脈動部分對腳手架結構所引起的動態(tài)作用。一般結構對風力的動態(tài)作用并不敏感，可僅考慮靜態(tài)作用。但對于高聳結構（如塔架、煙囪、水塔）和高層建筑的腳手架而言，除考慮靜態(tài)作用外，還需考慮動態(tài)作用。動態(tài)作用與腳手架自振周期、結構振型，結構阻尼和結構高度等因素有關，可將脈動風壓假定為各態(tài)歷經隨機過程按隨機振動理論的基本原理導出。為方便起見，動態(tài)作用常用等效靜態(tài)放大系數，即風振系數的方式與靜態(tài)作用一并考慮。脈動風作用機理是有節(jié)奏的激勵腳手架，使得腳手架產生共振使得腳手架產生較大的橫向振動位移，導致腳手架失穩(wěn)垮塌。中國的地理位置和氣候條件造成的大風為：夏季東南沿海多臺風，內陸多雷暴及雹線大風；冬季北部地區(qū)多寒潮大風。其中沿海地區(qū)的臺風往往是設計工程結構的主要控制荷載。臺風造成的風災事故較多，影響范圍也較大。雷暴大風可能引起小范圍內的風災事故。

3 腳手架應力、位移及幾何變形監(jiān)測

此類問題為靜力或者平均風荷載引起的腳手架的變形。腳手架的幾何變形識別內力狀態(tài)的重要參數，而立桿的線形是反映當腳手架力狀態(tài)的最要指標，因此立桿的應力應變及幾何變形是監(jiān)測的只要內容。靜力問題引起的結構變形的監(jiān)測的發(fā)展已經相當成熟，應用成熟的是用靜力應變片測量最容易發(fā)生較大變形位置的應變換算成應力來達到監(jiān)測的效果?？臻g位置變化監(jiān)測點可根據腳手架結構數值模擬分析的結果選擇，常選擇結構變形較大和變形的拐點監(jiān)測，傳感器可采用GPS、壓力變送器、位移計及全站儀進行變形監(jiān)控。賀志勇等[3]利用測量技術和高精度全站儀對其施工進行了全程日照變形監(jiān)測，對超高層建筑施工安全、施工驗收和相應規(guī)范的改進具有重要的參考指導作用。

4 基于振動的腳手架穩(wěn)定性監(jiān)測方法

基于振動測試的結構損傷診斷方法是目前結構損傷診斷領域研究應用最廣泛的方法之一，它具有不影響結構正常工作，可實現長期或在線監(jiān)測，操作簡單方便等特點。腳手架動態(tài)穩(wěn)定性的監(jiān)測不容忽視。

4.1基于頻域方法

固有頻率是結構物理參數的函數，固有頻率對結構的損傷并不敏感，因此不適用于腳手架的穩(wěn)定性監(jiān)測和評估?；谡裥偷膭恿χ讣y方法研究較多，結構損傷引起振型的變化，并且振型中包含位置信息。如Pandey[4]提出的曲率模態(tài)法、模態(tài)置信因子（MAC）和坐標模態(tài)置信因子(COMAC)[5]、協調模態(tài)置信因子(ECOMAC)等[6]、模態(tài)應變能法、柔度矩陣法以及應變模態(tài)發(fā)等?；陬l域響應函數的方法也得到較大的發(fā)展。這些方法在橋梁結構中得到較成熟的應用，也適用于腳手架工程，通過傳感器測量得到的動態(tài)信號來識別出腳手架的模態(tài)參數，計算出上述因子來監(jiān)測和評估腳手架的穩(wěn)定性。

4.2基于時域方法

對于時間響應的分析和特征提取，主要有：基于時間序列的分析法和奇異值分解法。

基于時間序列模型的方法：通常結構模型復雜，并且輸出輸入信號容易受噪聲污染，使得模態(tài)分析不精確甚至不可行。結構在環(huán)境激勵下的響應是隨機的對這些隨機數據，可建立一種如ARMA、AR、MA的時間序列模型，不需要測得輸入信號[7]。從數學模型中提取包含有結構模態(tài)參數信息的模型系數，能夠避免復雜有限元的建模和噪聲的影響[8]。基于時間序列模型的方法原理簡單，實施方便，但是它需要滿足兩個基本條件：線性性和靜態(tài)性，對于稍微復雜一點的系統(tǒng)或許就不適用了。

基于奇異值分解方法：奇異值分解是一種常見的降維方法，它是對整個響應序列數據的整體表示以及特征提取和變換。作為線性變換，奇異值分解在數據重構上誤差最小，這樣它在一些情況下能夠取得很好的性能[9]，根據損傷前后奇異值的變化進行識別，能夠在環(huán)境激勵和不同工況下應用[10]。

4.3基于時頻域方法

對結構的健康監(jiān)測和穩(wěn)定性評估，往往先得到結構的動力響應信息，接下來的工作是如何對這些具體信息進行分析處理。傅里葉變換只能反映整個信號在全部時間內的整體頻域特征，不能提供任何局部時間段上的頻率信息。小波變換是一種具有“變焦”特性的多分辨率分析方法，局部化和多尺度分析是精華所在，可以用不同的分辨率來觀察信號，在時頻兩域都具有表征信號局部特征的能力。小波變換作為一種新的時頻分析方法，在損傷檢測領域得到了廣泛的應用[11,12]。小波在處理結構測試數據時具有極大的優(yōu)勢，可以預見其在結構健康監(jiān)測系統(tǒng)中和結構健康監(jiān)測分析中有著廣闊的發(fā)展空間和應用價值。

5監(jiān)測方法的熱點研究問題

5.1傳感器優(yōu)化布置

在結構的監(jiān)測和檢測中，我們不可能取得結構完整的模態(tài)數據，而只能相對于有限元模型的部分自由度的模態(tài)數據，彌補這種差距的通常做法是擴展實測模態(tài)數據或縮減模型自由度。另種方法是用測試得到的不完全數據直接進行健康監(jiān)測，則傳感器的位置和數量就對健康監(jiān)測的效果起到重要的作用。一般來說，傳感器優(yōu)化布置需要滿足以下幾點：(l)傳感器系統(tǒng)的設備耐久性強、維護方便、數據通信有效，且費用最??；(2)在復雜的自然環(huán)境下，用盡量少的傳感器獲取最有效的信息；(3)傳感器的布置應不影響結構正常使用功能的前提下，最有利于信息的直接觀測和推斷；(4)可觀測的模態(tài)參數對結構的局部損傷和性能退化敏感性強。腳手架結構比橋梁結構相對復雜，傳感器的數量和安裝位置需要優(yōu)化配置，減小不必要的投入。

5.2非線性方法

基于非線性動力學方法為結構健康監(jiān)測提供另一種全新的方法，非線性信號處理的基本方法是把一維的系統(tǒng)響應擴展到多維相空間來進行研究。Nichols，Tod等運用混沌序列激勵結構的方法來進行結構健康監(jiān)測，證明了基于混沌的非線性方法在結構健康監(jiān)測領域有具有發(fā)展?jié)摿13]。文獻[14]應用響應信號相空間拓撲結構變化提取了一系列新類型的結構健康判斷因子，成功評估結構的健康狀況。這些因子的提取不需要建立初始系統(tǒng)模型，而是直接以系統(tǒng)動力響應相空間建立結構“健康”狀態(tài)的參考模型。然而，上述基于動力響應的非線性健康監(jiān)測的研究都需要混沌時間系列的外部激勵，在實際工程中，特別是大型土木結構，應用混沌序列來激勵很難得以實現，因此在腳手架結構健康監(jiān)測的應用中具有一定困難。Nichols[15]應用環(huán)境激勵的響應對海洋平臺結構進行健康監(jiān)測，應用響應相空間檢測出損傷的存在并量化了結構剛度的降低。非線性的方法無疑為腳手架結構的健康監(jiān)測和穩(wěn)定性評估提供了新的方法。

6展望

1.監(jiān)測數據的采集與傳輸和信息化技術研究：腳手架體積龐大，傳感器離散分布，對傳感器系統(tǒng)和數據采集系統(tǒng)有許多特殊性能的要求，其不僅僅要滿足耐久性、精度要求，還要考慮其經濟性和操作簡易性。所以對光纖等具有顯著特性的傳感器及其分布方式的研究具有很大的是使用價值。傳統(tǒng)的有限數據傳輸方式使監(jiān)測系統(tǒng)的假設費用和維護成本高昂、系統(tǒng)的可靠性降低，因此迫切需要發(fā)展先進的數據傳輸系統(tǒng)或無限傳輸技術。

2.監(jiān)測數據處理技術及結果可視化的研究：現有在線監(jiān)測的大型結構越來越多，隨著時間的推移，必將形成海量數據，如何這些數據進行篩選、判斷和處理是個重大而有迫切需要解決的課題，同時，如何讓那些枯燥的數據通過可視化顯示，讓一般人都能理解結構的健康狀況是將來結構健康監(jiān)測讓社會普遍接受的關鍵一步，具有很大的社會意義。

3.從腳手架結構內部確保其穩(wěn)定性：明確確定連接墻件的設置，在施工中對連接墻件的設置進行嚴格控制；增加橫向支撐，提高腳手架的橫向剛度來提高腳手架的穩(wěn)定承載能力。

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作者簡介：

李世敏，男，1981，江蘇徐州人，畢業(yè)于石家莊經濟學院，徐州礦務集團有限公司夾河煤礦助理工程師。

楊玲，女，1984, 江蘇徐州人，畢業(yè)于石家莊經濟學院。