李 躍 郭興吉,2 趙 欣,3

(1.西南科技大學城市學院 四川綿陽 621000；2.綿陽師范學院 四川綿陽 621000；3.綿陽職業(yè)技術學院 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)連接構件多，結構復雜，在工程施工期間高支模受力失衡坍塌的現象頻發(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，模板及安裝支護體系坍塌事故也成為了行業(yè)內多發(fā)的事故領域，造成不良社會影響和嚴重經濟損失[4]。為確保施工人員生命安全和施工工地安全，對高支模實時監(jiān)測，并提前報警，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反射片或小棱鏡，利用全站儀進行坐標及三角高程監(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，具備一定危險性；高支模內部結構較密，人工監(jiān)測時不具備操作空間，外圍支撐通常附帶安全網，增加了人工監(jiān)測難度，其監(jiān)測結果時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，利用電子儀器實時監(jiān)測高支模的軸向力、位移、傾角和加速度等參數，并將該參數與預設值進行比對，如果超限，則報警，起到實時預警的作用。同時該參數通過無線網絡傳輸至中央控制室存檔，以便監(jiān)測人員實時掌握高支模受力和形變動態(tài)信息，為今后設計提供數據支撐。

1 監(jiān)測原理

根據現場勘查和施工人員介紹，高支模出現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距離過大造成整體傾斜、扣件松動導致立桿傾斜，本文重點對上述3種情況進行監(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至立桿軸向力采集節(jié)點，采集節(jié)點將壓力信號進行處理并通過無線方式發(fā)送至中繼節(jié)點，中繼節(jié)點將壓力信號發(fā)送給中央控制室，完成軸向力的采集和傳輸。

立桿移動監(jiān)測。在立桿合適位置安裝角度可變的三軸光柵滑尺，并尋找不動的三點作為參照，通過鋼絲繩將三軸光柵滑尺分別與3個參考點繃緊連接；立桿沉降和水平位移通過光柵滑尺測量立桿與參考點的相對位置變化來表征。3個軸向位移變化信號通過光柵尺反饋，傳遞給立桿位移采集節(jié)點，采集節(jié)點將位移信號進行處理并通過無線方式發(fā)送至中繼節(jié)點，中繼節(jié)點將位移信號發(fā)送給中央控制室，完成位移量的采集和傳輸。設3個軸線的位移的變化分別是ΔL1，ΔL2,ΔL3，以該節(jié)點為原點，垂直于被支撐物長度方向為x軸，平行于被支撐物長度方向為y軸，垂直于地面為z軸，建立坐標系，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ΔLx，ΔLy和ΔLz的符號和大小，即可判斷立桿的移動趨勢。

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行測量。安裝完成后初次測得數據標記為初始角度，后定期監(jiān)測角度變化。

低功耗監(jiān)測。由于工地現場均為臨時線纜，且隨時移動，沒有穩(wěn)定的供電來源，因此，監(jiān)測節(jié)點選擇電池供電的方式。受電池容量和工地現場條件限制，同時為保證監(jiān)測的有效性和長期性，采用間隔采集的方式以實現整個系統(tǒng)的低功耗，從而確保該系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。為了避免在采集間隔時間內各個被監(jiān)測參數突變而遺漏采集，在監(jiān)測節(jié)點增加加速度傳感器，該傳感器平時處于低功耗狀態(tài)，當有突變，立即輸出信號喚醒信號采集終端，對各個傳感器進行采集，并及時上報。

設節(jié)點電池總能量為Eb，休眠時能耗為Ps，檢測所需能量為Pd，設突變量的產生服從參數為λc的指數分布，節(jié)點生存時間為T，則節(jié)點所消耗能量的均值服從

(2)

從(2)式可得到節(jié)點生存時間T滿足：

(3)

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

(4)

因此，本文對立桿的主要監(jiān)測參數為：軸向力、位移、傾角和加速度。

2 監(jiān)測方案與實現

2.1 系統(tǒng)總方案

為提高系統(tǒng)可靠性，對立桿進行軸向力、位移、傾角和加速度4個量的監(jiān)測。將被監(jiān)測立桿視作一個節(jié)點，設計如圖1所示監(jiān)測方案。

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

每個節(jié)點信號利用無線方式傳輸至其對應中繼，中繼再統(tǒng)一將數據打包，傳輸至中央控制器。中央控制器根據人為的設置條件進行判斷，如果超過限定值，則進行預警。同時中央控制器可以將數據進行存儲及圖文顯示，方便記錄及查閱。

2.2 監(jiān)測節(jié)點

每個節(jié)點均需要監(jiān)測其軸向力、位移、傾角和加速度4個參數，由于工地現場均為臨時線纜，沒有穩(wěn)定的供電來源，加上工地現場錯綜復雜的環(huán)境，無法布置有線通信線纜，因此監(jiān)測節(jié)點選擇電池供電的方式，信號傳輸選擇藍牙傳輸。監(jiān)測節(jié)點結構示意如圖2所示。

圖2 監(jiān)測節(jié)點結構Fig.2 The structure of monitoring node

由于采用電池供電，工地現場安裝、維護和更換都比較麻煩，為保證監(jiān)測的有效性和長期性，采用低功耗方式進行監(jiān)測，即采集頻率不宜過高。同時為了避免在采集間隔時間內各個被監(jiān)測參數突變而遺漏采集，在監(jiān)測節(jié)點增加加速度傳感器，該傳感器平時處于低功耗狀態(tài)，當有突變，立即輸出信號喚醒信號采集終端，對各個傳感器進行高密度采集，并及時上報。

2.3 信號采集和處理

由于傳感器較多，本文僅以軸向力傳感器為對象闡述其信號采集和處理過程。設計了如圖3所示信號采集和處理電路。

選擇量程為50 kN的軸向力傳感器，其參數如表1所示。

表1 軸向力傳感器參數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，最后將信號利用SPI數字輸出。

3 工程應用

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)測網的布設如圖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，利用中央控制器設置監(jiān)測節(jié)點進行持續(xù)周期性自動化觀測。通過對節(jié)點的持續(xù)的周期性觀測結果進行計算、儲存和比對，從而進行節(jié)點安全與穩(wěn)定性分析，為預警提供數據支撐。

3.2 數據采集與分析

由于整個過程都需要進行周期性監(jiān)測，數據量大，本文選擇其中部分數據進行呈現和分析。數據見表2。

節(jié)點1和節(jié)點2為平時靜止時監(jiān)測數據，節(jié)點3為澆筑施工時監(jiān)測數據。節(jié)點1和節(jié)點2所處立桿承受軸力遠小于鋼材允許應力，位移、傾角和加速度均小于設定報警閾值；節(jié)點3數據有較大變動，是因為澆筑施工時外界載荷波動引起的。通過軟件設置，在數據變化較大時，各個傳感器監(jiān)測時間間隔減小，從而加大監(jiān)測力度。節(jié)點3軸向力持續(xù)增加，位移也增加較大，但傾角數據變化較小，可以得出是由于載荷增加引起高支模整體沉降的結論，加速度數據較大波動是外界突然強加外力所致，當外力消失，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)測網的布設Fig.4 Layout of monitoring network

表2 監(jiān)測數據Table 2 The data of monitoring

4 結論

本文以實際工程為例，通過高支模低功耗無線監(jiān)測系統(tǒng)，準確測定出該高支模體系在預壓狀態(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，低功耗設計為無線傳輸奠定了堅實基礎，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置和監(jiān)測數據全存儲、分析、判斷及處理，使該系統(tǒng)具有廣闊的應用前景。