風雨操場高支模架體的變形監測*

劉雄美

（中鐵二十一局集團 第二工程有限公司, 甘肅 蘭州 730000）

0 引言

風雨操場需建造挑高、大跨度的高大建筑物來滿足學生在特殊氣象條件下進行室內體育活動的需求。隨著科技的進步和新材料的出現, 使風雨操場這類挑高、大跨度高大建筑物的建造成為可能。高大建筑物在混凝土構件澆筑過程中的支撐模板一般屬于高大模板, 這類高大模板支撐體系是大跨度建筑施工中常見的作業方式。高大模板支撐體系的桿件、架體受到沖砸、扯拉、扭轉等突發荷載時, 容易發生整個支撐體系的突然失穩；支撐體系的失穩通常在施工過程中突然發生, 且高支模施工過程具有復雜性與危險性[1］。支撐體系坍塌不僅延誤工期, 而且帶來巨大的生命和財產損失[2］。因此, 為確保模板支撐系統的穩定和安全, 必須對風雨操場這類高支模的穩定性進行實時監測[3］。

高支模監測是建筑工程的重要環節之一, 其直接影響施工安全。高大模板支撐體系的搭接穩定性、可靠性關系著施工人員的安全, 存在模板支撐架體不穩定、監測不到位、支架變形等情況引起模板倒塌而造成人員傷亡事故的風險。傳統的高支模監測是用全站儀、水準儀等進行監測, 對架體搭接比較密集的區域無法滿足理想監測, 而某些人為因素也會導致監測誤差大、精度不準確, 難以滿足高支模監測要求。高大模板支撐體系的坍塌具有突發性、破壞性大等特點, 很容易造成人員傷亡, 如2000年10月25日南京一工地模板支撐系統失穩屋面坍塌, 造成6人死亡35人受傷, 2020年1月5日15時30分左右湖北武漢一工地高支模坍塌導致6人死亡5人受傷。

傳統高支模的監測往往利用水準儀、全站儀對支撐體系的變形開展現場測量[4-5］, 采用人工監測手段無法保證監測人員的安全[6］, 同時, 高大模板支撐體系某些監測區域的模板搭接密集, 以致無法在理想監測區開展人工現場監測, 導致監測數據不能滿足精度要求。高支模自動監測系統具有監測頻率高、精度高、滿足24 h 全天候監測特征；特別是當監測數值超過預警值時安裝了監測軟件APP的手機會收到監測系統的自動報警, 這能給現場施工人員留有足夠時間快速撤離現場, 同時可以給相關技術人員提供一定的時間采取補救措施, 避免支架體系坍塌事故發生, 保證了施工安全和施工進度[7-10］。

通過文獻檢索發現, 西北地區對高大模板支撐體系的自動監測研究成果較少, 本論述以蘭州市城關區一小學教學樓風雨操場為依托, 開展了混凝土澆筑過程中模板架體各項指標的監測, 所得成果可為類似工程提供參考。

1 高支模自動監測系統簡介

高支模自動監測系統由現場監測體系、數據傳輸系統和客戶端構成。現場監測體系主要包含傳感器和通信電纜, 數據傳輸系統主要由綜合采集模塊和無線收發模塊構成, 客戶端主要是安裝有數據采集軟件的計算機或手機。傳感器包括軸力傳感器、位移傳感器、傾角傳感器；綜合采集模塊由接線柱、模塊器體、集成電路板、芯片組成, 主要是將軸力傳感器、位移傳感器、傾角傳感器所監測到的數據進行不間斷的實時采集, 通過接線柱連接無線收發模塊, 實現與客戶端的數據傳遞。無線收發模塊通過GPRS 網絡實現計算機或手機與采集單元的無線連接。

1.1 傳感器

位移傳感器是利用鋼絲位移計和鋼絲拉繩測取搭接架體的位移, 利用通信電纜把監測到的數據傳送到綜合采集模塊上, 再通過無線收發模塊把監測到的數據上傳到客戶端, 通過分析和計算對高大模板支撐體系的工作狀態進行評估和預報；軸力傳感器是利用智能弦式支模軸力計在立桿支架上測取軸力；傾角傳感器是利用支模測斜探頭采用簡便安裝方式固定在支模管架上, 通過支模管架的傾斜角度采集數據。

1.2 綜合采集模塊

綜合采集模塊是將位移傳感器、軸力傳感器、傾角傳感器所監測到的數據進行收集, 是高大模板支撐體系自動監測系統的二次儀表, 二次儀表由接線柱、模塊器體、集成電路板、芯片組成, 通過接線柱連接無線收發模塊, 二次儀表采集鋼絲位移計、智能弦式支模軸力計、支模測斜探頭監測到的數據, 實現野外環境長期無人值守的自動化測量。

1.3 無線收發模塊

無線收發模塊安裝于密封箱內, 通過GPRS 網絡、internet 網絡實現上位機與采集單元無線連接。無線數據收發軟件為安裝軟件的電腦提供識別代碼, 使安裝在現場的無線模塊能自動尋找到該電腦, 并建立兩者間的數據聯系, 從而實現數據交換, 完成遠程測試。

2 工程概況及自動監測設施布置

2.1 工程概況

該工程東側和南側為一居民小區、西側為政府機關、北側為道路。因而, 存在周邊拆遷征地難度大、成本高的問題, 基于此, 該工程是在原有一棟教學樓拆除后原地建設了集教學、辦公、運動為一體的單體建筑物, 風雨操場為地下室。地上6層為框架結構的教學和辦公樓, 地下室高9 m、梁體跨度19 m, 梁體澆筑中采用模板是典型的高大模板支撐體系。

2.2 監測內容

2.2.1 監測項目

該風雨操場高支模自動監測項目有：立桿支架的沉降、軸力和傾角。

2.2.2 監測次數及頻率

（1）監測時間：從混凝土澆筑前開始一直到模板拆除。

（2）初始值：各立桿支架和模板搭接穩定后的監測值作為初始值。

（3）監測頻率：每10 min監測1次。

（4）預警值：立桿沉降位移達到5 mm；軸力達到15 kN；傾角達到5°。

2.3 監測點的布置

選取風雨操場地下室中間兩根梁的支架模板作為監測對象, 兩根梁的長寬高分別為：19 000 mm×600 mm×1 600 mm, 梁底距離地面的高度為8.5 m。對于梁而言, 梁最容易的破壞位置在梁中央, 于是梁中央就是本次監測的重點位置, 傳感器均安裝在梁變形最大的位置。

對梁體而言荷載作用下形變最大位置在梁中央, 因此, 本次監測傳感器布置在梁中央下方的支架和模板上。在兩根梁下方模板及支架上分別布置1個位移計傳感器、1 個軸力計傳感器和1 個傾角計傳感器, 共計6 個傳感器。1 號梁和2 號梁的兩端與柱子固接, 兩根梁的中點下方模板支架上布置軸力計, 軸力計兩側相距400 mm的模板支架上布置位移計和傾角計, 具體監測點位置及監測點編號如圖1所示（圖中尺寸單位以mm計）。這樣選取監測點, 不光對梁進行必要的監測, 還對于以后數據分析對比提供了方便。

圖1 模板支架監測點位置及監測點編號

3 監測結果及分析

混凝土澆筑當中和養護過程對高支模進行了位移、軸力和傾角監測, 采樣頻率10 min一次。

從受力角度看1號梁和2號梁兩端與柱子固接, 可以將上部結構傳下來的荷載通過橫梁直接傳給柱子, 柱子再傳給地基基礎, 梁的兩端與圈梁連接, 上部結構的力是先傳給橫梁, 橫梁再傳給圈梁, 再傳給柱子最后傳給地基基礎, 顯然柱子承受荷載要比圈梁好。

從安裝位置分析, 1號梁與2號梁兩端均是與柱子固接, 且傳感器在每一根梁上的安裝順序都相同, 監測結果原則上受力、變形應相似。數據監測結果顯示, 實際情況與分析相符合。數據有微小差異是因為傳感器在安裝的時候, 1號梁和2號梁的位移計與傾角計距離梁中間的距離不同, 1號梁相比2號梁多10 cm。

從變形角度來看混凝土抗壓不抗拉, 鋼筋抗拉不抗壓, 1號梁、2號梁和柱子固接, 鋼筋通過匝絲綁扎, 再與模板結合, 鋼筋混凝土澆筑在一起, 1號梁、2號梁傳來的荷載傳給柱子；荷載先通過橫梁受載, 橫梁再傳給圈梁, 圈梁也會受到變形, 橫梁不像柱子一樣直接把荷載傳給地基, 從這個角度看, 1號梁、2號梁只受了一次變形便達到穩定。

3.1 位移

監測期間模板支架的豎向位移隨時間的變化情況如圖2所示。從圖2可以看出混凝土澆筑前, 模板最大位移均不超過1 mm, 位移的變化主要是行人等偶然荷載作用引起的。混凝土澆筑過程中2個監測點的位移突然增加, 相比澆筑前后監測點1的位移最大變化值達到2.63 mm、監測點4的位移最大變化值為2.60 mm, 但是兩個位移監測點混凝土澆筑前后位移的變化量均未超過預警值5 mm。混凝土澆筑完成后各個監測點的位移較穩定, 最大值在1 mm 之內變化；隨著混凝土養護齡期的延長, 監測點的位移波動也越來越小, 逐漸趨向定值, 這可能和混凝土強度的提高、外界荷載的影響越來越小有關。總之, 該風雨操場高大模板支撐體系在混凝土澆筑過程和養護期兩個位移監測點的位移都比較穩定。

圖2 模板支架位移的變化情況

混凝土澆筑過程中兩個監測點的位移一直維持在比較理想范圍內, 監測值從始至終一直小于所設置的預警、報警值, 隨著荷載增加, 位移呈現逐步增大后趨于平緩, 監測點1的位移最大, 監測點1和監測點4的位移遞增后趨于穩定, 兩者穩定值大小相近。從位移分析可知：支架與既有固定結構構件的拉結措施較好, 架體抗側移能力較強。

3.2 軸力

風雨操場高大模板支撐體系監測點2、監測點5的軸力隨時間變化情況如圖3 所示。混凝土澆筑前2 個軸力監測點的軸力均趨近0, 開始澆筑混凝土后軸力數據開始變化, 其中監測點5 的軸力變化最大, 達到11.29 kN, 監測點2的軸力變化值為10.12 kN, 但兩個監測點的軸力變化值均未超過預警值15 kN。混凝土養護過程中, 監測點2 和監測點5 的軸力波動很小, 都在2 kN范圍內。

圖3 模板支架的軸力變化情況

軸力監測前, 兩個監測點的軸力變化趨勢走向是一致的, 從澆筑混凝土開始軸力變大, 到澆筑完成軸力各自趨于一個較穩定的值, 從圖3 可以看到, 監測點5軸力變化量最大, 數據變化量一直在理想的變化范圍之內, 趨于穩定之后監測點5軸力最大值12.415 kN。

3.3 傾角

風雨操場高大模板支撐體系監測點3、監測點6的傾斜角度變化情況如圖4所示。高支模傾角測試結果最明顯的特點是X和Y方向的角度變化值都很小, 3號監測點傾斜角度最大, 最大值達到0.29°, 監測點3傾角累計變化量0.03°～0.29°, 監測點6 傾角累計變化量0.05°～0.11°, 說明混凝土澆筑和養護過程中立桿的穩定性良好。

圖4 模板支架傾角的變化

4 結論

在風雨操場地下室高大模板支撐體系上布置了智能弦式支模軸力計、鋼絲位移計、支模測斜探頭, 對混凝土澆筑過程中的立桿軸力、立桿傾角、支架位移開展了監測, 利用互聯網+高支模可視化安全監控系統傳輸監測數據, 根據監測數據的變化情況對高支模工作狀態進行評估和預報, 所得主要結論有：

（1）自動監測系統可以實現對高大模板支撐體系的高頻率、高精度、可預警的不間斷監測, 保證了施工安全。

（2）高支模自動監測系統代替了傳統的現場人工監測, 實現24 h全天候無人值守監測作業。

（3）高支模自動監測系統所得數據可在計算機或安裝有監測系統軟件APP的手機上實時查看, 監測到的數據以圖像形式展現出來, 方便技術人員參考。