超高钢管模板支架监控系统研究
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【摘 要】 随着楼层高、跨度大、超厚现浇板的建筑结构形式的出现，超高模板支撑体系的应用也越来越多，近几年在城市地铁的施工中也频频得到使用，但是由于各种原因导致近年来在我国许多省市不断发生模板支撑架坍塌事故。因此，本文针对超高钢管模板支架，设置了一套完整的集于检测、监测、控制为一体的支架监控系统，以保证施工安全及建筑工程的质量，使得施工过程中支架处于正常工作范围，支架构件的应力、变形均处于安全范围，确保施工安全。
【关键词】 脚手架；检测；监测；监控；施工安全
【中图分类号】 TU755.2 【文献标识码】 A 【文章编号】 1727-5123（2013）01-027-03
1 引言
随着我国城市现代化建设的发展，出现许多跨度大、楼层高、超厚现浇板的建筑结构形式，高大模板支撑体系的应用也越来越多，因此在工程中采用超常规高大模板现浇混凝土施工的情况也越来越多，所以要求支架必须有足够的强度、刚度、稳定性，以保证结构混凝土浇筑能够顺利进行。支架搭设的好坏直接影响建筑工程的质量和安全。但是由于人们对该体系的认识不足、理论研究不到位、施工中技术方面的原因、施工人员、材料方面的原因、地质环境以及管理方面的原因等，支架搭设远远不能达到安全技术规范的标准，导致近年来在我国许多省市不断发生模板支撑架坍塌事故，所以在建筑的施工过程中对支架进行检测、监测及控制已是当务之急。
目前，有关模板支撑体系的设计计算的国家规范尚未正式颁布，鉴于模板坍塌事故的屡屡发生，各地方政府正加快编制模板支撑体系的设计规程，2003年以“英国规范BS5975”和国标《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ130一2001）为基础编制了《建筑施工水平模板支撑体系安全技术规程》，2006年编制了《建筑施工扣件式钢管模板支架技术规程》，但是对于支架监控研究甚少，尚未形成一套钢管支架的监控系统。
2 监控的目的
支架施工中受力体系是属于多次超静定体系，施工过程中各种复杂的因素都有可能引起结构的几何形状及内力状况的改变。尽管在设计时已经考虑了施工中支架可能出现的情况，但是由于施工过程的复杂性，事先难以精确估计结构的实际状态。通过在施工过程中对支架结构进行实时监测，可以根据监测结果对施工过程中的控制参数进行相应的调整，以保证施工安全及建筑工程的质量，使得施工过程中支架处于正常工作范围，支架构件的应力、变形均处于安全范围，确保施工安全。
目前，已颁布的《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ166-2008）中提到了模板支撑架的设计，也仅仅是参照英国、德国规范，而且国内的构架搭设远没有英国规范那么严格，存在一定的安全隐患。而施工支架检测、监测和控制，是桥梁、地铁车站、明挖隧道成功修建的基础工作，能够真实、及时地掌握各项检测内容的变化情况，对施工支架安全、稳定控制有着极其重要的意义。为获得真实的技术参数（地基沉降量、支架变形、构件应力等），需要建立一个完整的施工支架检测、监测和控制系统。
3 监控的内容
支架监控的主要内容是通过先进的监测仪器、设备、数据传输等技术构成的整体系统，对支架结构的工作状态、使用性能、安全稳定及整体行为进行实时监测，并对支架的安全健康状况和潜在危险性及时做出评估，提供必要的关键数据为支架发生严重异常状况时触发预警信号，进而对控制参数进行相应的调整，找出支架的受力与变形规律，为支架施工提供合理的建议，保证支架构件的应力、变形处于安全范围，确保结构施工安全。
3.1 支架检测的内容。施工支架地基与基础，必须按专项施工方案进行施工。检测人员根据现行国家标准《地基与基础工程施工及验收规范》（GBJ 202）详细检查地基处理情况。
地基处理后，根据相应支架计算书搭设支架。监控小组根据《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》（JGJ 166-2008）、《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB 50204）等相关规范检查支架搭设情况（构配件质量、支架垂直度、杆件间距复核等），由现场情况确定检测平台位置并制定检测计划实施方案。
支架安装完毕，需对支架预压以消除非弹性变形。由于有关规范中尚无支架具体加载方案，对支架预压检测的同时，研究加载量、加载方式与加载时间，提出合理的加载程序。根据相关规范对地基处理、支架拼装、支架预压及支架拆除等整个工艺流程跟踪检测。
根据以上所述，对钢管模板支架和脚手架，现场检测的项目应该包括：①纵向、横向水平杆等受弯构件的强度和连接处的抗滑承载力检测；②立杆的稳定性检测；③连墙杆的强度、稳定性和连接强度的检测；④模板支架立杆的压缩变形值检测；⑤自重和风荷载作用下的抗倾覆检测。
同时，这些项目的检测应该是见证取样检测。在这些项目中，前四项都有相关的规范可以参考，对第5项，由于涉及到构造措施，因此必须有严格的实验后才能制定出相关标准。
3.2 支架监测的内容。施工支架监测必须根据实际施工情况与控制目标，建立完善的施工监测系统。通过施工监测系统的建立，跟踪施工过程并获取结构的真实状态，不仅可以由实际监测数据对设计参数进行估计，保证施工控制预测的可靠性，同时又是一个安全警报系统。通过警报系统可及时避免施工过程中支架结构参数（如变形、截面应力等）超出设计范围以及结构破坏的情况。
3.2.1 现场的实时测量体系。测量的内容包括地基变形；支架沉降量；支架受力与变形等。测量的周期需根据施工状况而定。
支架基础预压前，应布置支架基础的沉降监测点；支架基础预压过程中，应对支架基础的沉降进行监测。对支架基础预压监测过程中，当满足下列条件之一时，应判定支架基础预压合格：①各监测点连续24h的沉降量平均值小于1mm；②各监测点连续72h的沉降量平均值小于5mm。
3.2.2 现场测试体系。主要包括：支架的材料特性测试；施工荷载及偶然荷载等资料的收集与分析；车辆、施工人员、风荷载、浇筑和振捣混凝土时产生的荷载等可变荷载对支架受力及稳定性的影响。
3.3 支架控制的内容。城市桥梁、高层建筑、地铁车站施工支架控制的主要目的是使施工实际状态最大限度地与计算状态（线形与受力）相吻合。要实现上述目标，就必须对支架结构全面控制，以便对施工实施有的放矢的有效控制。
3.3.1 支架变形控制。支架在施工过程中会产生变形，并且支架的变形将受到诸多因素的影响，极易使结构在施工过程中的实际位置状态偏离预期状态，使建筑物线形与设计要求不符。所以必须对支架实施控制，使其在施工中的实际位置状态与预期状态尽量吻合，并使建筑物线形符合设计要求。
3.3.2 支架应力控制。支架结构的受力情况是否与设计相符合是施工支架控制要明确的重要问题。通过支架结构应力的监测来了解实际应力状态，若发现实际应力状态与理论计算应力状态的差别超限就要进行原因查找和调控，使之在允许范围内变化。支架结构应力控制的好坏不像变形控制那样易于发现，若应力控制不力将会给结构造成危害。所以，它比变形控制显得更加重要，必须对支架结构应力实施严格监控。现行规范还没有明确规定应力控制的项目，需根据实际情况确定，通常包括：①支架结构在自重下的应力；②支架结构在施工荷载下的应力；③支架结构在预加力下的应力；④其他应力，如基础变位、风荷载等引起的结构应力。实际控制过程中，要视支架结构形式及施工技术条件等适当调整主要控制项目。
3.3.3 支架稳定控制。支架结构的稳定性关系到支架结构的安全，它与支架的强度有着同等的甚至更重要的意义。支架施工过程中不仅要严格控制变形和应力，而且要严格地控制支架的稳定。
目前，支架的稳定性已引起人们的重视，但主要注重于支架的稳定计算。对施工过程中可能出现的失稳现象还没有可靠的监测手段，尤其是针对可变荷载或突况，还没有快速反应系统。目前主要通过稳定分析计算（稳定安全系数），并结合结构应力、变形情况来进行综合评定、控制其稳定性。
3.3.4 支架安全控制。支架安全控制是施工支架控制的重要内容，其实，施工支架安全控制是上述变形控制、应力控制、稳定控制的综合体现，上述各项得到了控制，安全也就得到了控制。由于结构形式不同，直接影响支架安全的因素也不一样，在施工控制中需根据实际情况，确定其安全控制重点。
4 监控系统设计
支架的整个监控系统是由检测、监测、控制组成的。如图1所示：
图1 支架监控总系统
4.1 检测方法的设计。检测的方法与工具：立杆间距用钢板尺，立杆的垂直度检测用经纬仪或吊线和卷尺，同步立杆上两个相隔对接扣件的高差用钢卷尺，立杆上对接扣件至主节点的距离用钢卷尺，纵向水平杆上的对接扣件至主节点的距离用钢卷尺，纵向水平杆高差用水平仪或水平尺，主节点处各扣件中心点相互距离用钢板尺，剪刀撑斜杆与地面的倾角用角尺，脚手板外伸长度的检测用卷尺，扣件螺栓拧紧扭力矩用扭力扳手，钢管外表面锈蚀程度用游标卡尺，钢管弯曲用钢板，钢管两端面切斜偏差用拐角尺、塞尺。
对于扣件式脚手架的力学性能检测仪器可用钢管脚手架扣件力学性能试验机。钢管脚手架扣件力学性能试验机主要适用于建筑工程中，对外径为φ48mm的钢管脚手架用旋转扣件、对接扣件、直角扣件及底座进行抗滑、扭转刚度、抗破坏、抗压、抗拉的所有力学性能的检测。钢管脚手架扣件力学性能试验机采用先进的高精度测力、测位移，测角度系统及采用人机界面操作，PLC可编程控制器控制，所有关键参数预先设置，一键完成单项试验的全过程，自动采集、计算、记录、存储、显示所需试验数据及试验过程曲线。测量快速准确，性能稳定可靠，自动化程度高。
4.2 监测系统的设计。目前脚手架计算机监测系统可以采用一种分布式监测系统。该系统采用了在工业控制领域得到广泛应用的RS一485协议通信，它独特的差分接收方式，大大提高了系统在数据传输中对共模干扰的抑制能力。一种脚手架立杆的轴向力监测方法，包括以下步骤：在脚手架立杆的底端设置一压力传感器，采集立杆承受的轴向力大小；使压力传感器与一微机保持通信连接，将采集到的轴向力数据实时传送至微机。通过该方法，可利用压力传感器对脚手架立杆的受力进行全天候的实时采集，再将该采集到的受力数据传送至微机，以便于进一步的分析与处理。在微机中还可预设一轴向力的标准值，当微机接收到的实测轴向力大于标准值时，由微机启动一报警程序。这样就实现了对脚手架立杆的受力情况的实时监控，一旦超过预设值就立刻报警，杜绝了安全隐患。如图2所示：
图2 多点分布式远程监测系统
4.3 控制系统的设计。对变形、应力、强度的控制应遵循以下步骤：①分析引起支架变形、应力超限、稳定性不足的原因；②支架变形的类型划分；③建筑物变形观测的实施过程；④变形观测成果的整理与分析；⑤反馈调整、确保安全。
为了确保施工安全和加强劳动管理，施工单位和监理单位以及营运单位必须对支架变形观测引起足够的重视，确定恰当精度，采用正确方法，确保观测成果的可靠性。若一旦发现支架的变形观测值超过其设计允许的最大变形时，应及时将观测结果书面报告勘察、设计、质检单位，以便共同研究、制定方案，采取切实可行的措施，防止发生意外。在此期间，应暂停施工或者暂时关闭、停止使用被监测支架，同时应增加变形观测次数，密切观注其发展变化。
4.4 监控系统的设计。超高模板支架的整个监控系统的具体设计如图3所示：
5 结论
为保证支架构件的应力、变形处于安全范围，确保结构施工安全，应做好以下几点：①严格按照《建筑施工脚手架安全技术规范》进行设计和施工；②加强技术措施。从地基处理到支架方案都须经过技术论证，并需详细的设计计算；③加强现场管理。从器材入场检查和检验，组拼质量和支架预压等必须严格管理；④加强支架的监控过程，支架监控的基本内涵即是通过对支架结构状态的监测与评估，为支架在特殊气候、一定的地质条件下严重异常时触发预警信号， 同时对监测的数据进行整理与分析，进而对控制参数进行相应的调整，找出支架的受力与变形规律，对支架进行有效控制，修正支架参数误差，确保支架架设后结构受力和线形满足设计要求。为支架维护、维修管理决策与桥梁施工提供合理的建议和指导。
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