吳福成，葉建新，繆 丹

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

0 引言

近年來，隨著社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和城市化進程的加速推進，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。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、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］。隨之而來的是對模板工程生產(chǎn)安全管理要求的不斷提升，國家和各省市相關(guān)主管部門相繼出臺了一系列文件和規(guī)范，旨在加強對高大支模工程施工過程的安全管理。與此同時，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高大支模工程施工過程連續(xù)實時監(jiān)測的日益增長需求。為減少工程事故的發(fā)生，降低生命和財產(chǎn)損失，借助傳感和通訊技術(shù)的進步以及工程經(jīng)驗的積累，引入實時安全監(jiān)測技術(shù)已成為必然選擇［5-6］。與傳統(tǒng)的人工光學儀器觀測方法相比，實時安全監(jiān)測技術(shù)能夠解決傳統(tǒng)方法監(jiān)測的參數(shù)、空間和時間的盲區(qū)。除了能按傳統(tǒng)方法監(jiān)測支撐系統(tǒng)的變形外，還能實時、直觀地反饋支撐結(jié)構(gòu)受力和變形的監(jiān)測數(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理，明確評估高大支模工作狀態(tài)的監(jiān)測參數(shù)。其次，借助自動化和信息化手段，建立高支模實時監(jiān)測警報系統(tǒng)。系統(tǒng)集成了高支模破壞機理、數(shù)值模擬、典型事故案例分析、現(xiàn)場實時監(jiān)測的成套技術(shù)，可以對支撐系統(tǒng)進行自動化監(jiān)測、實時分析傳送和自動報警，以主動發(fā)現(xiàn)和解決潛在安全隱患，提高監(jiān)測的準確性和及時性。此外，通過巡視檢查作為補充方法，可以進一步提高監(jiān)測預警的有效性。通過實際工程可以證明，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)，從而減少事故風險，保障工程順利進行和人員安全，并促進工程施工安全管理的進一步改進和發(fā)展。

1 數(shù)值模擬

運用SAP2000 軟件，建立了高支模支架體系的有限元模型，計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)標準：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，施工人員及機具運輸堆放的荷載，為2.5 kPa 均布荷載；以及振搗混凝土時產(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、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 計算結(jié)果分析

1.2.1 結(jié)構(gòu)振型分析

模型各階詳細模態(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、平動、扭轉(zhuǎn)、平動、平動、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）對支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

采用英國規(guī)范BS5973 推薦的辦法進行屈曲分析，研究偏載（水平荷載）對支架結(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。當水平虛擬荷載小于1.5%Pu時，支架的整體穩(wěn)定承載力基本保持不變；當水平虛擬荷載大于1.5%Pu時，隨荷載增加，承載力迅速下降；當水平虛擬荷載取4.0%Pu時，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連接件對支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

在模擬半剛性節(jié)點分析時，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)點的半剛性。為研究連接件對支架結(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；當連接件接近剛接時，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重要原因。當?shù)鼗l(fā)生不均勻沉降時，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)定而引起整個結(jié)構(gòu)的倒塌破壞。為模擬地基沉降，分別對邊跨立桿和中跨立桿底部支座處施加豎向位移，其計算結(jié)果如圖4所示。邊、中跨沉降對支架的整體穩(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，當沉降量小于0.02 m 時，承載力下降速度較慢；當沉降量大于0.02 m 時，承載力迅速下降，在沉降量為0.2 m 時，支架的穩(wěn)定承載力僅為無沉降時的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的失穩(wěn)形式相同（支架在YZ平面內(nèi)發(fā)生失穩(wěn)）。當發(fā)生地基沉降時，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，立桿在步距之間發(fā)生小波鼓曲。

2 監(jiān)測參數(shù)設(shè)置建議

根據(jù)以上計算分析，并結(jié)合實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：當基礎(chǔ)沉降量大于0.02 m 時，承載力迅速下降；支架中部沉降對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一側(cè)允許變形值更小。

3 高支模實時監(jiān)測警報系統(tǒng)

3.1 高支模實時監(jiān)測警報系統(tǒng)

目前，施工現(xiàn)場安全管理已有更高要求，然而高支模安全檢測方法目前主要還停留在傳統(tǒng)的光學觀測、人工報警的基礎(chǔ)上。為此，運用信息化、自動化技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集、實時分析傳送、自動報警；對在建高支模系統(tǒng)進行信息化監(jiān)管的模式，克服傳統(tǒng)監(jiān)測方法監(jiān)測區(qū)域覆蓋面較小、監(jiān)測參數(shù)不足、監(jiān)測不及時、超限報警響應(yīng)速度慢、無法實施統(tǒng)一監(jiān)管等缺點。

如圖5 所示，高支模實時監(jiān)測警報系統(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)測平臺；聲光報警裝置；后備電源。通過高支模實時監(jiān)測警報系統(tǒng)，可以實現(xiàn)監(jiān)測高支模體系的安全狀態(tài)，判斷高支模體系狀態(tài)和預警、報警功能。

圖5 高支模實時監(jiān)測報警系統(tǒng)示意圖Fig.5 Diagram of High Formwork Real-time Monitoring Alarm System

高支模實時監(jiān)測警報系統(tǒng)采用自動化儀器進行監(jiān)測，傳感器可以安裝在高支模內(nèi)部的各個薄弱部位，實現(xiàn)全方位監(jiān)測。系統(tǒng)可以進行高頻率的采樣，實現(xiàn)施工全過程監(jiān)控。系統(tǒng)配有聲光報警裝置，一旦出現(xiàn)監(jiān)測值超限，可以實現(xiàn)自動報警功能，通知施工人員避險。整個監(jiān)測項目的數(shù)據(jù)可以儲存和查詢，為安全監(jiān)管和事后處理提供真實資料，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時安全監(jiān)測技術(shù)，以人工巡視檢查作為補充措施，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)測工作向前延伸，保證了監(jiān)測工作與整個高支模工程的銜接，也對監(jiān)測人員的專業(yè)性提出要求；定期巡查則是復核澆筑過程監(jiān)測數(shù)據(jù)合理性的驗證措施。

3.2.1 首次巡查

通過在測點安裝時，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，及時反饋支撐結(jié)構(gòu)的實際情況。首次巡查宜重點關(guān)注以下內(nèi)容：

①頂托自由端長度；

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)測過程中，監(jiān)測人員以監(jiān)測設(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)測設(shè)施情況，基準點、參考點和測點情況以及是否有影響監(jiān)測工作的障礙。

4 結(jié)論

高支模實時監(jiān)測警報系統(tǒng)借助巡視檢查，實現(xiàn)了高支模監(jiān)測的自動化、信息化升級轉(zhuǎn)型，對建筑工程領(lǐng)域監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展起到了重要推動作用。該系統(tǒng)集成了數(shù)值模擬、現(xiàn)場實時監(jiān)測等多項技術(shù)，成功實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集、實時分析傳送和自動報警。通過主動監(jiān)測和解決潛在安全隱患，監(jiān)測管理由被動轉(zhuǎn)為主動，監(jiān)管由事后搶險向事前和事中轉(zhuǎn)變，能夠及時消除工程隱患，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步和改進。