湯坤林 鄧 閣 何 鐵 沈成棟 丁 雄

1. 上海市建工設計研究院有限公司 上海 200050；2. 上海航鼎電子科技發(fā)展有限公司 上海 200437

1 塔機基礎安全問題

塔機基礎穩(wěn)定是影響塔機整體穩(wěn)定性的重要因素，盡管從設計源頭采取了管理措施，但是，對已發(fā)生的塔機事故案例統(tǒng)計分析卻發(fā)現(xiàn)，塔機事故中50%是因為地基松動導致的。因此在塔機使用過程中，為了保證使用的安全，需要及時注意基礎的不均勻沉降，定期作檢測。

常規(guī)的檢測方法是通過經(jīng)緯儀測量塔機塔身的垂直度來間接判斷塔機基礎的不均勻沉降。但這種方法存在下列一些缺點：

（a）通過使用外部經(jīng)緯儀，人工測量，不能做到實時檢測；

（b）使用傳統(tǒng)測量方法響應慢，精度低，成本高，難以滿足基礎沉降的實時監(jiān)測。

2 塔機基礎實時監(jiān)測方法[1,2]

鑒于現(xiàn)有市場上缺乏對塔機基礎進行實時檢測與管理的設備，對塔機基礎定期采用手動方式進行，上海市建工設計研究院有限公司與上海航鼎電子科技發(fā)展有限公司聯(lián)合提出了一套塔機基礎自動檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)的構成見圖1。

塔機基礎穩(wěn)定度監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)測設備（包括水平水平度傳感器、LDVS磁位移傳感器和監(jiān)測終端主機）和監(jiān)測中心軟件構成，適用于所有塔式起重機基礎穩(wěn)定度監(jiān)測，實現(xiàn)塔機基礎24 h連續(xù)不斷的監(jiān)測，管理人員在辦公室，通過互聯(lián)網(wǎng)就能全面掌握塔機基礎狀態(tài)，從而大大降低塔機事故發(fā)生率。

圖1 塔機基礎穩(wěn)定度安全監(jiān)測系統(tǒng)

塔機基礎監(jiān)測主要使用2 種傳感器：一種是基于MEMS技術的電子水平尺，測量塔機基礎每個角位置的傾斜度，另一種是差動變壓器式位移傳感器（LVDT），測量每個測量點到相對固定位置的位移變化。

現(xiàn)場監(jiān)控設備能實時記錄各測量數(shù)據(jù)，供監(jiān)測或者事故分析使用；處理好的測量數(shù)據(jù)，能通過無線公共通信網(wǎng)絡上傳至遠程監(jiān)測中心。當塔機基礎的傾斜量或沉降量超過設定閾限，現(xiàn)場監(jiān)測終端主機發(fā)出現(xiàn)場聲光報警，提示工程人員采取相應的防范措施，同時提醒遠程監(jiān)測中心管理人員處理。遠程監(jiān)控中心管理人員可以通過塔機基礎沉降數(shù)據(jù)與傾斜數(shù)據(jù)的分析，得到其沉降趨勢，提示工程人員采取相應的防范措施?？傊?，以互聯(lián)網(wǎng)的技術手段，完成塔機基礎的實時監(jiān)控，從而預防由塔機基礎不穩(wěn)定引起的塔機安全事故發(fā)生。

3 主要監(jiān)測指標與功能[3-6]

根據(jù)《塔式起重機混凝土基礎工程技術規(guī)程》JGJ/T 187—2009的要求，基礎澆筑完成后塔機安裝前應在基礎四角設置沉降觀測點，并在塔機安裝前進行原始觀測，塔機安裝后觀測一次，塔機加節(jié)后至少觀測1 次，在使用過程中根據(jù)實際情況進行進程觀測，并做好記錄?；A的最大最小沉降差引起的基礎傾斜不應大于1/1 000，總沉降控制在50 mm以內。當塔基位于基坑邊或需對位移進行控制等情況時，還應對基礎位移進行觀測。

根據(jù)規(guī)范的要求，我們設計的塔機基礎實時監(jiān)控系統(tǒng)應該實現(xiàn)以下功能：

（a）能實現(xiàn)塔機基礎沉降與傾斜度的實時監(jiān)控，支持至少8 個測試點的傾斜度測量和4 個角的沉降；

（b）具有基礎位移監(jiān)測的接口，能實現(xiàn)塔機基礎水平位移的監(jiān)控；

（c）監(jiān)測設備帶有衛(wèi)星定位功能，能夠準確記錄時間和上傳監(jiān)控中心各測量點位置，便于監(jiān)控中心直觀地觀測塔機基礎狀態(tài)；

（d）監(jiān)測記錄數(shù)據(jù)安全性好，測量數(shù)據(jù)不僅保留在監(jiān)控裝置主機中，同時將監(jiān)測數(shù)據(jù)保留在系統(tǒng)服務器中；

（e）水平度傳感器測量信號和LVDT測量信號送入測量裝置，結合嵌入式軟件，實時檢測各測量值，并通過無線公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳送至檢測中心；

（f）內置備用電池，在裝置外部供電損壞時，能及時向監(jiān)控中心報警，請管理人員處理；

（g）現(xiàn)場聲光報警和遠程系統(tǒng)報警相結合。

4 外部傳感器選型

根據(jù)國家規(guī)范，塔機基礎安全穩(wěn)定性監(jiān)測測試精度要求高，考慮產(chǎn)品的性價比，對沉降測量，我們考慮0.1 mm精度，對傾斜度，我們采用1/2 000精度。

考慮施工現(xiàn)場的使用環(huán)境，還需要注意傳感器防塵、防水和防碰撞要求；我們監(jiān)測設備選用了基于MEMS的水平度傳感器和LVDT差分位移傳感器。

4.1 MEMS水平度傳感器

MEMS即微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems），MEMS傳感器是采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、質量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實現(xiàn)智能化的特點。同時，在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。

采用上海航鼎公司設計的AZ101 MEMS水平度傳感器來測量塔機的基礎傾斜，主要技術指標為測量范圍±15°（其他量程可選），供電電壓5 V（測試電壓24 V），測量精度0.02°，分 辨 率0.001°，滿量程最大誤差（常溫）＜0.05°，非線性度≤±0.5%，長期穩(wěn)定性（1年）＜0.05°，防護等級IP65。

4.2 LVDT差分位移傳感器指標

LVDT（Linear Variable Differential Transformer）是線性可變差動變壓器的英文縮寫，屬于直線位移傳感器。工作原理簡單地說是鐵芯可動變壓器。它由1 個初級線圈、2個次級線圈，鐵芯，線圈骨架，外殼等部件組成。初級線圈、次級線圈分布在線圈骨架上，線圈內部有一個可自由移動的桿狀鐵芯。當鐵芯處于中間位置時，2 個次級線圈產(chǎn)生的感應電動勢相等，這樣輸出電壓為零；當鐵芯在線圈內部移動并偏離中心位置時，兩個線圈產(chǎn)生的感應電動勢不等，有電壓輸出，其電壓大小取決于位移量的大小。為了提高傳感器的靈敏度，改善傳感器的線性度、增大傳感器的線性范圍，設計時將2 個線圈反串相接、2 個次級線圈的電壓極性相反，LVDT輸出的電壓是2 個次級線圈的電壓之差，這個輸出的電壓值與鐵芯的位移量成線性關系。LVDT 具有下列優(yōu)勢和特點：無摩擦測量、無限的機械壽命、無限的分辨率、零位可重復、環(huán)境適應性強，是少數(shù)幾個可以在多種惡劣環(huán)境中工作的傳感器之一。

堅固的結構提供高可靠性，而其性能十分適合行程小于±100 mm的多數(shù)應用，測量精度能達到1/1 000，其特性非常適合在塔機基礎沉降測量使用。

選用深圳信為公司SBD20型外徑20 mm，不銹鋼304外殼，回彈式位移傳感器，主要技術指標如下：位移量程為0～50 mm，有多種規(guī)格量程可選；輸出信號為0～5 V DC（ 9～28 V DC 供電電壓） ；線性誤差有±0.25%、±0.5%可選；重復誤差＜0.01%；使用溫度為－25 °C～+85 °C。

5 監(jiān)測設備安裝

5.1 塔機基礎安全監(jiān)控終端的安裝

塔機基礎監(jiān)控終端，選擇安裝在交流電供應和防雨的電控箱內，可以在塔機基礎上或者塔機塔架上方便的位置安裝。

為了保證測量有效性，取傾斜變化和沉降位置變化最大點，通常在基礎的各個角。圖2提供了在塔機基礎上布置傳感器的安裝位置示意。

圖2 電子水平尺與位移傳感器安裝位置示意

5.2 水平度傳感器安裝

（a）為了保證測量有效性，建議至少在每個角安裝一個水平度傳感器。

（b）為了現(xiàn)場安裝施工方便，我們將水平度傳感器安裝在槽鋼內側，制作成500 mm電子水平尺；為便于安裝、防水，每個電子水平尺都帶有安裝孔，可以方便地安裝于基礎測量點，并進行水平度的校正。

（c）最多安裝8 個電子水平尺，每個電子水平尺盡量靠近基礎4 個角安裝；對于安裝4 個水平度傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)，按電子水平尺1～4位置安裝。

5.3 差動位移傳感器安裝

為了保證測量有效性，建議至少在每一個角安裝差動位移傳感器。

（a）采用差動變壓器式位移傳感器（LVDT）測量相對固定位置到塔機基礎觀測點相對位移變化；差動變壓器式位移傳感器（LVDT）安裝于塔機基礎4 個角，如果安裝了4 個及以上的水平度傳感器，可以僅僅選擇1 個角安裝差動變壓器式位移傳感器；

（b）為了測量塔機基礎下沉，選擇離開塔機1.5 m外選擇一個相對固定的位置，安裝一個固定測量支架，支架一端固定在地里，支架另一端（測量點）與差動變壓器式位移傳感器測量端接觸，測量點與LVDT測量端相對位移變化，就是基礎的沉降；

（c）如果需要安裝水平位移傳感器，和已安裝的沉降傳感器安裝在相鄰的位置。

6 結語

塔機基礎質量是塔機安全生產(chǎn)最根本的基礎，之前沒有實時監(jiān)測的方法與手段，本文的塔機基礎實時監(jiān)測方法提供了一個新的手段和方法，希望能起到拋磚引玉的作用，為同行和國內塔機基礎安全監(jiān)控工作的開展提供參考，杜絕安全隱患，預防和減少塔機使用過程中安全事故的發(fā)生。