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        高支模低功耗無線監(jiān)測系統(tǒng)研制

        2019-03-29 08:16:30郭興吉
        關(guān)鍵詞:支模立桿低功耗

        李 躍 郭興吉,2 趙 欣,3

        (1.西南科技大學(xué)城市學(xué)院 四川綿陽 621000;2.綿陽師范學(xué)院 四川綿陽 621000;3.綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川綿陽 621000)

        高大支撐模板系統(tǒng)簡稱為高支模,是指水平混凝土構(gòu)件模板支撐系統(tǒng)高度超過8 m或跨度超過18 m、施工總荷載大于10 kN/m2的模板及其支撐系統(tǒng)[1]。模板支撐系統(tǒng)連接構(gòu)件多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在工程施工期間高支模受力失衡坍塌的現(xiàn)象頻發(fā)[2],而且事故通常在工程施工過程中突然發(fā)生,從而造成群死群傷的惡性傷亡事故,具有事故突發(fā)性和高危性[3]。建筑工程中,模板及安裝支護(hù)體系坍塌事故也成為了行業(yè)內(nèi)多發(fā)的事故領(lǐng)域,造成不良社會(huì)影響和嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失[4]。為確保施工人員生命安全和施工工地安全,對(duì)高支模實(shí)時(shí)監(jiān)測,并提前報(bào)警,顯得格外重要。傳統(tǒng)的高支模監(jiān)測是在支撐桿件上布設(shè)反射片或小棱鏡,利用全站儀進(jìn)行坐標(biāo)及三角高程監(jiān)測[5],該方式存在諸多問題,如:精度不高;無法全天候連續(xù)觀測;自動(dòng)化程度低,需要大量人工監(jiān)測;監(jiān)測人員需在高支模下操作,具備一定危險(xiǎn)性;高支模內(nèi)部結(jié)構(gòu)較密,人工監(jiān)測時(shí)不具備操作空間,外圍支撐通常附帶安全網(wǎng),增加了人工監(jiān)測難度,其監(jiān)測結(jié)果時(shí)效性和有效性也大大降低。為解決上述問題,本文提出了高支模無線監(jiān)測系統(tǒng)方案,利用電子儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測高支模的軸向力、位移、傾角和加速度等參數(shù),并將該參數(shù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對(duì),如果超限,則報(bào)警,起到實(shí)時(shí)預(yù)警的作用。同時(shí)該參數(shù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央控制室存檔,以便監(jiān)測人員實(shí)時(shí)掌握高支模受力和形變動(dòng)態(tài)信息,為今后設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

        1 監(jiān)測原理

        根據(jù)現(xiàn)場勘查和施工人員介紹,高支模出現(xiàn)垮塌的最主要原因有立桿受力過大而塑性變形、立桿沉降或水平移動(dòng)距離過大造成整體傾斜、扣件松動(dòng)導(dǎo)致立桿傾斜,本文重點(diǎn)對(duì)上述3種情況進(jìn)行監(jiān)測。

        立桿塑性變形監(jiān)測。在支架頂托與模板之間安裝壓力傳感器,壓力傳感器輸出信號(hào)至立桿軸向力采集節(jié)點(diǎn),采集節(jié)點(diǎn)將壓力信號(hào)進(jìn)行處理并通過無線方式發(fā)送至中繼節(jié)點(diǎn),中繼節(jié)點(diǎn)將壓力信號(hào)發(fā)送給中央控制室,完成軸向力的采集和傳輸。

        立桿移動(dòng)監(jiān)測。在立桿合適位置安裝角度可變的三軸光柵滑尺,并尋找不動(dòng)的三點(diǎn)作為參照,通過鋼絲繩將三軸光柵滑尺分別與3個(gè)參考點(diǎn)繃緊連接;立桿沉降和水平位移通過光柵滑尺測量立桿與參考點(diǎn)的相對(duì)位置變化來表征。3個(gè)軸向位移變化信號(hào)通過光柵尺反饋,傳遞給立桿位移采集節(jié)點(diǎn),采集節(jié)點(diǎn)將位移信號(hào)進(jìn)行處理并通過無線方式發(fā)送至中繼節(jié)點(diǎn),中繼節(jié)點(diǎn)將位移信號(hào)發(fā)送給中央控制室,完成位移量的采集和傳輸。設(shè)3個(gè)軸線的位移的變化分別是ΔL1,ΔL2,ΔL3,以該節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn),垂直于被支撐物長度方向?yàn)閤軸,平行于被支撐物長度方向?yàn)閥軸,垂直于地面為z軸,建立坐標(biāo)系,三線與yoz平面的夾角分別是α1,α2,α3,與xoz平面的夾角分別是β1,β2,β3,與xoy平面的夾角為γ1,γ2,γ3。由此可知:

        (1)

        式中ΔLx為x軸上的變化位移,ΔLy為y軸上的變化位移,ΔLz為z軸上的變化位移,根據(jù)ΔLx,ΔLy和ΔLz的符號(hào)和大小,即可判斷立桿的移動(dòng)趨勢。

        立桿傾斜監(jiān)測。立桿傾斜通過桿件傾角表征。傾角通過安裝在桿件上的陀螺儀進(jìn)行測量。安裝完成后初次測得數(shù)據(jù)標(biāo)記為初始角度,后定期監(jiān)測角度變化。

        低功耗監(jiān)測。由于工地現(xiàn)場均為臨時(shí)線纜,且隨時(shí)移動(dòng),沒有穩(wěn)定的供電來源,因此,監(jiān)測節(jié)點(diǎn)選擇電池供電的方式。受電池容量和工地現(xiàn)場條件限制,同時(shí)為保證監(jiān)測的有效性和長期性,采用間隔采集的方式以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的低功耗,從而確保該系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。為了避免在采集間隔時(shí)間內(nèi)各個(gè)被監(jiān)測參數(shù)突變而遺漏采集,在監(jiān)測節(jié)點(diǎn)增加加速度傳感器,該傳感器平時(shí)處于低功耗狀態(tài),當(dāng)有突變,立即輸出信號(hào)喚醒信號(hào)采集終端,對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行采集,并及時(shí)上報(bào)。

        設(shè)節(jié)點(diǎn)電池總能量為Eb,休眠時(shí)能耗為Ps,檢測所需能量為Pd,設(shè)突變量的產(chǎn)生服從參數(shù)為λc的指數(shù)分布,節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間為T,則節(jié)點(diǎn)所消耗能量的均值服從

        (2)

        從(2)式可得到節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間T滿足:

        (3)

        其中,td表示檢測持續(xù)時(shí)間,Nd表示生存期內(nèi)周期檢測次數(shù)。當(dāng)休眠功耗、檢測頻率及檢測所需能量一定時(shí),從(3)式可以看出,節(jié)點(diǎn)持續(xù)時(shí)間主要受參數(shù)λc影響,即λc增大時(shí),T將變大,當(dāng)λc無窮大,即幾乎沒有突變情況發(fā)生時(shí),此時(shí),T可取得的最大值變?yōu)?/p>

        (4)

        因此,本文對(duì)立桿的主要監(jiān)測參數(shù)為:軸向力、位移、傾角和加速度。

        2 監(jiān)測方案與實(shí)現(xiàn)

        2.1 系統(tǒng)總方案

        為提高系統(tǒng)可靠性,對(duì)立桿進(jìn)行軸向力、位移、傾角和加速度4個(gè)量的監(jiān)測。將被監(jiān)測立桿視作一個(gè)節(jié)點(diǎn),設(shè)計(jì)如圖1所示監(jiān)測方案。

        圖1 系統(tǒng)總方案Fig.1 General scheme of the system

        每個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)利用無線方式傳輸至其對(duì)應(yīng)中繼,中繼再統(tǒng)一將數(shù)據(jù)打包,傳輸至中央控制器。中央控制器根據(jù)人為的設(shè)置條件進(jìn)行判斷,如果超過限定值,則進(jìn)行預(yù)警。同時(shí)中央控制器可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)及圖文顯示,方便記錄及查閱。

        2.2 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)

        每個(gè)節(jié)點(diǎn)均需要監(jiān)測其軸向力、位移、傾角和加速度4個(gè)參數(shù),由于工地現(xiàn)場均為臨時(shí)線纜,沒有穩(wěn)定的供電來源,加上工地現(xiàn)場錯(cuò)綜復(fù)雜的環(huán)境,無法布置有線通信線纜,因此監(jiān)測節(jié)點(diǎn)選擇電池供電的方式,信號(hào)傳輸選擇藍(lán)牙傳輸。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

        圖2 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of monitoring node

        由于采用電池供電,工地現(xiàn)場安裝、維護(hù)和更換都比較麻煩,為保證監(jiān)測的有效性和長期性,采用低功耗方式進(jìn)行監(jiān)測,即采集頻率不宜過高。同時(shí)為了避免在采集間隔時(shí)間內(nèi)各個(gè)被監(jiān)測參數(shù)突變而遺漏采集,在監(jiān)測節(jié)點(diǎn)增加加速度傳感器,該傳感器平時(shí)處于低功耗狀態(tài),當(dāng)有突變,立即輸出信號(hào)喚醒信號(hào)采集終端,對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行高密度采集,并及時(shí)上報(bào)。

        2.3 信號(hào)采集和處理

        由于傳感器較多,本文僅以軸向力傳感器為對(duì)象闡述其信號(hào)采集和處理過程。設(shè)計(jì)了如圖3所示信號(hào)采集和處理電路。

        選擇量程為50 kN的軸向力傳感器,其參數(shù)如表1所示。

        表1 軸向力傳感器參數(shù)Table 1 The parameters of axial force sensor

        圖3 軸向力采集和處理電路Fig.3 The circuit of axial force acquisition and processing

        圖3中,該電路的差模-3 dB帶寬為:Fdiff=1/2πR1(2C4+C3)=177 Hz:共模-3 dB帶寬為:FCM=1/2πR1C3=7.96 kHz;選擇ADS8509作為AD采集芯片,最后將信號(hào)利用SPI數(shù)字輸出。

        3 工程應(yīng)用

        3.1 傳感器布置

        本文以某工程橋梁高支模變形監(jiān)測為例,監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)如圖4所示。在同一立桿上安裝軸向力、位移、傾角和加速度傳感器,本方案采用間隔式安裝。監(jiān)測系統(tǒng)布置完成后,利用中央控制器設(shè)置監(jiān)測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)周期性自動(dòng)化觀測。通過對(duì)節(jié)點(diǎn)的持續(xù)的周期性觀測結(jié)果進(jìn)行計(jì)算、儲(chǔ)存和比對(duì),從而進(jìn)行節(jié)點(diǎn)安全與穩(wěn)定性分析,為預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐。

        3.2 數(shù)據(jù)采集與分析

        由于整個(gè)過程都需要進(jìn)行周期性監(jiān)測,數(shù)據(jù)量大,本文選擇其中部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行呈現(xiàn)和分析。數(shù)據(jù)見表2。

        節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2為平時(shí)靜止時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù),節(jié)點(diǎn)3為澆筑施工時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2所處立桿承受軸力遠(yuǎn)小于鋼材允許應(yīng)力,位移、傾角和加速度均小于設(shè)定報(bào)警閾值;節(jié)點(diǎn)3數(shù)據(jù)有較大變動(dòng),是因?yàn)闈仓┕r(shí)外界載荷波動(dòng)引起的。通過軟件設(shè)置,在數(shù)據(jù)變化較大時(shí),各個(gè)傳感器監(jiān)測時(shí)間間隔減小,從而加大監(jiān)測力度。節(jié)點(diǎn)3軸向力持續(xù)增加,位移也增加較大,但傾角數(shù)據(jù)變化較小,可以得出是由于載荷增加引起高支模整體沉降的結(jié)論,加速度數(shù)據(jù)較大波動(dòng)是外界突然強(qiáng)加外力所致,當(dāng)外力消失,加速度幾乎沒有變化。由于軸向力和位移均處于安全范圍,因此節(jié)點(diǎn)3所在立桿也安全。但需繼續(xù)不間斷監(jiān)測,直到軸向力趨于平穩(wěn)。

        圖4 監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)Fig.4 Layout of monitoring network

        表2 監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 2 The data of monitoring

        4 結(jié)論

        本文以實(shí)際工程為例,通過高支模低功耗無線監(jiān)測系統(tǒng),準(zhǔn)確測定出該高支模體系在預(yù)壓狀態(tài)下仍然處于安全狀態(tài)。高支模低功耗無線監(jiān)測系統(tǒng)與以往人工通過光學(xué)監(jiān)測儀器比較,其在監(jiān)測力度,監(jiān)測精度和監(jiān)測的靈活性方面有較大優(yōu)勢。加速度傳感器的引入,為低功耗提供了先決條件,低功耗設(shè)計(jì)為無線傳輸?shù)於藞?jiān)實(shí)基礎(chǔ),利用無線傳輸使得系統(tǒng)整體安裝方便快捷,再加上軟件靈活的設(shè)置和監(jiān)測數(shù)據(jù)全存儲(chǔ)、分析、判斷及處理,使該系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

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