基于物聯網的超高支撐體系施工中風致響應分析*

蔣平平，馮 凱，朱薇娜，何賢健，郟鴻韜，李 強

(1.浙江省二建建設集團有限公司，浙江 寧波 315200；2.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074；3.浙大寧波理工學院土木建筑工程學院，浙江 寧波 315100)

0 引言

近年來，隨著我國建筑行業各項技術發展與完善，建筑整體向高度更高、跨度更長等方向發展，對技術要求也隨之提高，使超高模板支撐體系應用也愈加廣泛。目前，超高支撐體系有4種定義：施工現場具有8m以上支撐高度的模板支撐體系、搭設跨度18m以上的模板支撐體系、施工過程中具有15kN/m2以上總荷載的模板支撐體系、集中線荷載>20kN/m 的模板支撐體系[1]。然而，模板支撐體系作為臨時支撐，設計和管理理念并未得到較大重視，支撐體系倒塌情況時有發生，僅2018年全國發生的22起較大及以上事故中，有10起事故是因支撐體系坍塌而引起[2]。

隨著施工高度的不斷升高，支撐體系自重及變形也逐漸增大，導致其穩定性逐漸減弱。此外，支撐體系易受搭設材料及搭設方式的限制，再加上超高施工條件使其受到風荷載及施工荷載的耦合效應越發明顯，超高模板支撐體系安全性也越難以保障。尤其是我國沿海地區時常遭受臺風侵擾，在風荷載與上部施工荷載耦合作用下可能會導致支撐結構出現損傷甚至破壞倒塌。針對支撐體系安全穩定性問題，國內外學者均進行了相應研究，如Peng等[3]以門式及扣件式腳手架為研究對象，指出斜撐對超高支模架整體穩定性的影響；Yue等[4]對提升式腳手架進行風洞試驗，指出風荷載對超高支模架整體穩定性有較大影響。

然而對于高支模支撐架，我國并未形成成熟的計算理論，與之相關的設計研究工作也停留在初級發展階段，我國學者仍將其計算模型的探討作為研究焦點[5]。如王翠英等[6]利用動力學方法在有限元模擬中施加動力風荷載，模擬風荷載作用下模板支撐體系承載力影響效應；陳永瑞等[7]根據實際工程，針對某碗扣式腳手架支撐體系進行現場試驗，分析得到該系統在混凝土澆筑過程中受力變化規律，隨后利用有限元軟件進行計算，得到碗扣式腳手架更為合理的計算模型。但在目前研究中，極少有學者對風荷載作用下超高支撐體系進行施工監測。由于超高支撐體系高度高，自重及變形大于普通支撐體系，在施工期間也更易發生安全隱患。因此，針對超高支撐體系監測和研究工作變得至關重要。然而普通監測方法主要以人工為主，由于工地空間限制，該方法用以獲取實測數據具有局限性。基于此，為實時掌握在風荷載及上部施工荷載耦合作用下超高模板支撐體系安全性，本文以某工程中超高模板支撐為依托，利用物聯網系統實時獲取支撐體系位移變化情況。

1 工程概況

寧波市某科技產業園項目由主樓及裙樓組成，其中超高區域位于主樓大堂部位。超高區域支模架立面如圖1所示，區域內支模架高度最高達9m，跨度達57.1m，其中連續設置3道水平剪刀撐及1道豎向剪刀撐。連接節點如圖2所示，采用盤扣式連接方式。

圖1 支模架立面

圖2 盤扣式支模架連接節點

2 物聯網監控系統搭建

2.1 監控設備

如圖3所示，為實現實時監測支模架狀態，選取具有實時上傳數據功能的傾角傳感器(型號為WEMS401)，該儀器可根據3個軸向傾角變化計算出支模架偏移情況，測量內容為x，y，z軸傾角，上傳數據為3個軸向傾角平均值、最大值、最小值，量程為±90°，靈敏度為0.001°，最大誤差為0.01°。此外，由于研究內容與風速密切相關，因此，需在場地內安裝氣象站用來監測該地風速、風向情況。基于此，選取具有存儲、實時監測功能的小型氣象站。氣象站監測設備如圖4所示，該儀器可實時自動記錄場地風速、風向變化情況并可將數據通過網關發送至終端，上傳數據包含當前風速、最小風速、最大風速、平均風速等。

圖3 傾角傳感器

圖4 小型氣象站

2.2 監控方案

以該工程主樓大堂區域超高支撐體系為研究對象。為分析支模架在風荷載及上部施工荷載耦合作用下的位移情況，施工現場超高區域及儀器布置如圖5所示，儀器均利用抱箍固定在測點,布置8個傾角傳感器(1610，1611，1612，1614，1615，1616，1617，1618)及1個振動傳感器(4600)。為更直觀地觀測塔式起重機受臺風作用的影響，將傾角傳感器收集數據頻率設置為1min/次。在施工場地內安裝有1個小型氣象站用來監測施工場地內風向、風速變化，如圖6所示。

圖5 儀器布置

圖6 氣象站位置示意

3 超高支模架監測數據分析

3.1 氣象站數據分析

3.1.1風向

根據小型氣象站監測得到的風向數據，將其依據羅盤方位進行分類，并繪制16方位風玫瑰圖。監測期間(即2021-11-17—2021-12-23)風速及主要風向如圖7所示。由圖7可知，項目現場主要受西南(WSW)方向的強風影響，此外，北方向與東方向均有一定風速影響。該風向為后續超高支撐體系的研究提供依據。

圖7 監測期間現場風玫瑰圖

3.1.2風速

根據小型氣象站監測得到的數據，篩選出監測期間場地區域內風速，結果如圖8所示。由圖8可知，在監測期間不時有大風天氣，風速最大可達10.8m/s。因此，在此期間研究超高支撐體系風致響應具有重要意義。

圖8 監測期間現場風速

3.2 支撐體系風致響應分析

通過對傾角數據處理，可得到如圖9，10所示y，z軸方向偏移量。由于在大堂超高區域北側有該項目主體結構遮擋，南側無建筑遮擋。因此，將儀器劃分為北側(1610，1616，1614，1612)、南側(1611，1617，1615，1618)分別進行分析。由圖9，10可知，支模架在y，z軸方向均發生了偏移，且在y軸方向上，南側測點與北側測點偏移方向不同，南側呈現出向負方向偏移的趨勢，而北側則相反。在監測持續時間前期，數據有較多波動。分析其主要原因是上部施工荷載與風荷載的耦合作用。在這兩者耦合作用下，監測前期數據在上部施工過程中呈現波動范圍廣的特點。此外，在監測后期，支模架偏移量隨著時間變化而趨于穩定。分析其主要原因是上部施工已初步完成，支模架偏移量達到一定閾值，但風荷載的作用依然存在，因此，后期數據雖然趨于穩定但仍存在波動。

圖9 支模架y軸方向各點偏移量

圖10 支模架z軸方向各點偏移量

綜上所述，南側支模架最終在y軸負方向及z軸負方向上均有偏移，而北側支模架主要在y軸正方向及z軸負方向上偏移。如圖11所示，結合方位及整體坐標可知，南側支模架整體向東北方向偏移，而北側支模架整體向西北方向偏移。結合實測風速風向及現場施工布置可知，南側支模架測點偏移方向與風向一致，而北側支模架測點偏移方向與風向相反，分析其主要原因是北側支模架靠近建筑內部，大部分風被阻擋，其主要受上部施工荷載的作用。

圖11 支模架偏移趨勢

4 結語

基于某工程施工階段超高支撐體系，通過對其盤扣式腳手架建立物聯網實時監測系統，分析其風致響應，結果如下。

1)監測數據與施工階段中工況進展及風環境改變相符，數據合理且有效。

2)施工荷載與風荷載耦合作用使支模架偏移量明顯增大，施工場地可通過防風措施降低支模架失效風險。

3)將物聯網應用于支撐體系中，大大提高支撐體系安全性分析效率，對降低工程風險有指導意義。