模架安全監測技術在高支模工程中的應用*

崔加文，郝建敏，宮廣娟，牛學超，劉冬熠，李 桐

(1.中國建筑股份有限公司，北京 100029； 2.北京財貿職業學院，北京 101101；3.北京工業職業技術學院，北京 100042)

0 引言

近年來，模架倒塌安全事故占建筑總安全事故的比例為20%～40%，建筑相關規范里無專門針對模架監測的詳細規定[1-2]。目前控制高支模安全的主要手段是專家論證會，然而安全論證存在一定的人為因素。為此，在大量實驗室試驗和現場調研的基礎上，根據模架受力變形理論，研制出一套數字式遠程實時模架安全監測設備，獲得國家專利。采用第五代產品與中國建筑工程總公司合作，在中鋁科學技術研究院綜合樓施工現場進行安全監測應用，保證了高度>17m的高支模施工安全。監測工作可實現澆筑混凝土過程中實時掌握模架受力變形狀態，減少施工的盲目性，增強建筑信息化施工水平。

1 模架監測技術

1.1 監測方法

采用遠程實時模架安全監測方法，以模架立桿荷載、位移、應變等參數作為安全控制指標。傳感器布置方法為:在立桿頂部U托和承載梁之間布置荷載傳感器；在立桿頂部固定1個小橫桿，橫桿端部固定測量拉繩，拉繩下方連接位移傳感器；通過受力分析，在立桿重點位置粘貼或固定應變傳感器。傳感器均通過信號線連接至數據采集儀，采集儀通過信號線連接近程無線模塊或4G遠程無線模塊，實現近程或遠程數據傳輸。數據通過無線傳送至計算機，由軟件記錄并實時顯示采集數據和與之對應的曲線。混凝土澆筑期間每隔2～5s采集1次數據，養護期間每隔5s至24h采集1次數據。

1.2 監測儀器

采用北京工業職業技術學院模架研究團隊自行研制的MTS-1型模架遠程實時數據采集系統，該系統由數字式數據采集儀、數字式荷載傳感器、針式位移傳感器、激光位移傳感器和振弦式應變傳感器、遠程數據傳輸4G模塊等組成。

數字式數據采集儀采集頻率10～100kHz，電壓±10V，應變為±4 000με，橋路/差分±5V，±5mV， 失真度≤0.5%，動態特性總諧波失真<1%(@1kHz)。針式位移傳感器量程50mm，精度0.01mm，分辨率0.005mm，供電電壓DC12V；激光位移傳感器測量距離0.05～200m，測量精度±0.5mm， 電源電壓6～30V；振弦式應變位移傳感器主要參數量程為±1 500με， 靈敏度1με(0.1Hz)。

實測時可根據施工現場具體情況，選擇模架荷載、豎向變形、水平變形和應變等參數進行監測。通過對模架進行受力分析，并結合以往監測經驗，本次采用模架立桿荷載和模架豎向位移監測技術。

1.3 監測安全標準

1.3.1模架安全荷載

根據立桿穩定性和規范計算模架安全荷載[1]，單個立桿穩定荷載值計算如下。

1)不考慮風荷載時，立桿穩定性計算公式為：

Nmax≤φA[f]

(1)

式中：Nmax為立桿穩定軸心壓力最大允許值；φ為軸心受壓立桿的穩定系數,根據長細比l0/i在規范查表取值(l0為計算長度；i為計算立桿的截面回轉半徑)；A為立桿凈截面面積，A=450mm2；[f]為鋼管立桿抗壓強度設計值，[f] = 300.00N/mm2。

按照懸臂端計算，l0=h′+2ka=1 000mm+2×0.7×450mm=1 630mm；按照最大步距計算，l0=1.2h=1.2×1 500mm=1 800mm。其中，h′為支架立桿頂層水平步距(mm)；k為懸臂計算長度折減系數，取0.7；a為支架可調托座支撐點至頂層水平桿中心線的距離，取450mm；h為最大步距，h=1 500mm。 根據計算結果，取懸臂計算和最大步距計算結果較大值1 800mm作為立桿計算長度。

由式(1)計算可得，無風條件下立桿穩定荷載值為49.68kN。

2)考慮風荷載時，立桿穩定性計算為：

由組合風荷載公式：

(2)

得：

(3)

式中：Nmax，φ，f，A含義同上；W為立桿凈截面模量(抵抗矩),W=4.729×103mm3；MW為計算立桿風荷載設計值產生的彎矩(N·mm)。

風荷載設計值產生的立桿段彎矩MW為：

(4)

式中：Wk為風荷載標準值，為0.072kN/m2[3]；la為立桿迎風面間距，取1.50m；l0為與迎風面垂直方向立桿間距，取1.50m；Pr為風荷載產生的內外排立桿間橫桿支撐力。

計算可得，風荷載條件下立桿穩定荷載值為51.265kN。比較無風條件下立桿穩定荷載為49.68kN，取較小值，即立桿穩定安全荷載為49.68kN。

1.3.2模架位移安全值

參考規范[1]，結構豎向變形可取其高度的1/1 000， 由于本架體高度為17.3m，則最大允許變形量為17.3mm。

由于目前國內無針對模架安全監測的具體標準，以上計算結論雖然來自相關規程，但還需大量實踐予以驗證。另外，規范對模架安裝質量有嚴格要求，由于模架結構的特殊性，現場施工時間緊，很難對每個立桿進行嚴格的安裝質量檢查。因此，現場監測時，模架監測團隊還要根據長期監測經驗，利用測點受力和變形曲線特征進行判斷，以保證施工期間模架安全。

2 工程應用

2.1 工程概況

圖1 高支模監測區域平面布置

2.2 高支模安全監測

高支模區域采用荷載和位移監測方法，在L1～L5共5根立桿上布置P1～P5荷載傳感器，立桿和荷載傳感器編號一致，其中L3，L4屬于小短管立桿，通過2根槽鋼將其上方荷載傳遞給立桿L1，L5，重點監測立桿L1，L5承受梁板的受力和變形。2個位移傳感器布置在樓地面，其測繩分別固定在立桿L1，L5連接的水平鋼管上。傳感器布置如圖2所示。

圖2 傳感器平面布置示意

2.3 監測結果與分析

在L1，L5立桿上部布置豎向位移監測點，對應位移傳感器命名為W1，W2。由于L3，L4通過槽鋼將荷載傳遞至立桿L1，L5，立桿L1測點位移由荷載P1，P3，P4共同引起，立桿L5測點位移由荷載P3，P4，P5共同引起。根據現場監測數據繪制荷載-時間曲線和位移-時間曲線。

2.3.1板下立桿受力

板下荷載傳感器P1，P5位于主梁兩側板下，二者受力條件基本相同。P2雖然也位于板下，但東側有2根次梁，立桿較密，其受力條件與P1，P5不同。板下3個荷載傳感器荷載與時間關系曲線如圖3所示。

圖3 板下荷載-時間曲線

由圖3可知，P1，P5曲線最大值相當，分別為3 286， 3 206N，但達到最大值的時間不同，立桿L5上方荷載傳感器P5于2019-06-27 19：45前后達到最大值，該時間段主梁及其南側板處于混凝土澆筑階段；立桿L1上方荷載傳感器P1于2019-06-28 01：33達到最大值，該時間段主梁北側處于混凝土澆筑階段。梁南、北兩側澆筑混凝土時，P2曲線均有所表現，但變化均不大，最大值為843N，數值明顯小于P1，P5，與其所在位置立桿較多有關，也可能是由于其立桿頂面低于同一主龍骨兩側的立桿頂面。

2.3.2梁下立桿受力

梁正下方布置P3，P4荷載傳感器，其荷載與時間關系曲線如圖4所示。由圖4可知，2條曲線具有很好的一致性，P3，P4最大值分別為4 336， 3 125N， 2019-06-27 19：45前后澆筑過程中變化最大，2019-06-28 01：33前后澆筑梁北側板時,其受力有所調整。

圖4 梁下荷載-時間曲線

2.3.3立桿承受最大荷載

作用在立桿L1 上的荷載有P1，P3，P4，作用在L5上的荷載有P3，P4，P5，由梁板立桿結構特性，計算得到立桿L1，L5承受的總荷載Q1，Q2為：

(5)

(6)

由式(5)，(6)計算出立桿L1，L5承受荷載Q1，Q2，如圖5所示。由圖5可知，2個立桿總荷載變化趨勢一致，最大值出現在混凝土澆筑期間，養護期間荷載值變小；混凝土澆筑期間二者有些差別，但混凝土養護期間基本相同。因此，混凝土澆筑期間是模架危險時間段，應注意防范并進行安全監測。

圖5 立桿L1，L5總荷載-時間曲線

比較1.3節計算得到的立桿穩定荷載值49.68kN，立桿L1總荷載最大值為4 964N，立桿L5總荷載最大值為6 380N，二者遠小于理論穩定荷載，因此，理論上監測區域模架安全可靠。

2.3.4立桿豎向位移

由監測結果可知，立桿L1位移最大值為0.54mm，在梁和板澆筑混凝土前后增值較快；立桿L5位移最大值為4.3mm，主要表現在梁澆筑混凝土時段，板澆筑混凝土時段變形很小。

立桿L1，L5均在梁下，最大荷載雖然有差別，但差別不大，而豎向變形相差較大。根據以往監測經驗，立桿L1變形屬于正常數值范圍，立桿L5變形屬于異常情況。比較實驗室試驗[4-6]可知，在荷載增加過程中位移突然大幅度增加往往由于立桿接頭滑移所致，通常是扣件式立桿變形的主要特征之一。雖然本次監測施工現場采用盤扣式桿件，但接頭處也有可能連接不牢固，因此，L5大變形除了因為梁板荷載作用外，也有可能是因為立桿接頭安裝不牢固。

比較架體最大允許變形量17.3mm的安全標準，2個立桿最大變形未超出標準范圍，架體處于安全狀態。

3 結語

1)自行研制的新一代遠程模架安全監測系統應用于模架安全監測，方法可行、操作簡單，在中鋁科學技術研究院綜合樓施工現場應用獲得成功，可以推廣應用。

2)隨著澆筑混凝土位置的變化，個別立桿荷載和變形有可能減小。在不斷澆筑混凝土而增加模架區域架體荷載時，大部分立桿荷載和變形會下降，但是由于澆筑位置不同，也有個別立桿荷載和變形相對上升。

3)混凝土澆筑期間，模架受力變形大，養護期間逐漸變小。模架安全事故主要發生在混凝土澆筑過程中，一般不會發生在養護期內。因此，混凝土澆筑期間是重點監測時段。