CN110006674A - 一种高支模体系临界失稳实时预警的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高支模体系临界失稳实时预警的监测方法，步骤是：建立高支模架的整体模型；通过失稳分析，得出高支模体系的多种失稳形态提，取出可用于临界失稳状态提前预警的平面、立面以及失稳形态对应的立杆；在立面、平面内布置拉线式位移传感器，在立杆顶部布置轴压传感器；在混凝土施工过程或加载过程中，实时采集传感器的测试数据；将测试数据绘制成荷载‑位移曲线；在荷载‑位移曲线上出现斜率突变的位置判定为高支模体系临界失稳状态；根据临界失稳状态的判断，对混凝土浇筑或加载及时发出停止施工或加载的指令。具有实时、精确、高效的特点。

Description

一种高支模体系临界失稳实时预警的监测方法

技术领域：

本发明涉及一种高支模体系临界失稳状态实时预警的监测方法，属于土木工程施工领域。

背景技术：

土木工程结构中水平构件(梁、板等)的施工均需要搭设竖向支撑体系，当竖向支撑体系的高度达到8m及以上或搭设跨度达到18m 及以上或施工总荷载15k N/m²及以上或集中线荷载20kN/m及以上时，定义为高支模体系。由于搭设高度高、跨度大和荷载重等特点，施工过程中高支模的垮塌事故时有发生，造成施工人员的伤亡，社会影响恶劣。由于近年来工程施工安全管理要求提高，高支模体系的安全监测与预警成为了工程技术人员关注的热点和难点。

根据《广州市城乡建设委员会关于进一步加强危险性较大的混凝土模板支撑工程和承重支撑体系安全监测工作的通知》(穗建质〔2014〕168号)要求：“一、高支模专项施工方案中应明确高支模施工监测内容，如监测参数(关键部位或薄弱部位的水平位移、模板沉降、立杆轴力和杆件倾角等)、参数的预警和报警值、监测的起始和终止时间、超限响应措施等。”现有高支模监控方法包括：监测测杆件轴力、监测整架的压缩变形(采用吊线锤的办法)、监测整架的倾斜(采用吊线锤或倾角仪的方法)。但上述监测办法均无法准确判断高支模架是否达到失稳临界状态，无法对工地现场的高支模架安全性进行准确预报。公开号为【203785663U】的专利文件公开了高支模监测模板沉降测量装置，包括有位移传感器和底座，所述底座上设置有传感器安放槽，所述底座的平面与传感器安放槽的轴向相互垂直，所述位移传感器安放在传感器安放槽中。该文件所述的装置仅用于高支模的沉降监测。公开号为【203785665U】的专利文件公开了一种高支模监测测斜传感器快装扣件，包括杆件连接部和传感器连接部，杆件连接部包括底座和可与底座扣合的压盖，底座和压盖间在扣合后形成可夹紧水平杆或竖直杆的柱形孔，传感器连接部由底座向一侧伸出并形成垂直于柱形孔轴线的第一传感器安装面和与第一传感器安装面正交的第二传感器安装面。传感器连接部针对杆件连接部在水平杆或竖直杆上的不同安装角度，设置相互正交的第一传感器安装面和第二传感器安装面，以通过对第一传感器安装面和第二传感器安装面的灵活选择，满足测斜传感器处于水平工作状态的安装要求。该文件用于高支模架中立杆测斜装置的安装。公开号为【203704975U】的专利文件公开了高支模实时监测警报系统，包括有服务器、传感模块、闭路电视、数据传输模块、数据采集模块和声光报警模块，所述传感模块的输出端和闭路电视的输出端分别连接至数据传输模块的第一、第二输入端，所述数据传输模块的输出端依次通过数据采集模块和服务器连接至声光报警模块的第一输入端。本实用新型通过监测警报系统的两个层次应对高支模危险，第一层次是通过传感模块实时监测高支模整体变形量和立杆的轴力大小，第二层次是声光报警，而且可通过人工手动报警。该文件为高支模的预警系统，通过将监测结果与报警设定值进行比对，及时进行高支模的安装状态报警。考虑到高支模危险状态为混凝土浇筑期间，时间短，而且高支模架的状态变化较为复杂，随着混凝土不断浇筑，立杆轴力随时变化，但该文件提供的方法仅适合静态对比，不能进行实时预判，即无法在较短时间内快速对混凝土是否继续浇筑给出指令。公开号为【204439250U】的专利文件公开了种监理用高支模实时监测报警装置。包括有钢管节点防护套筒上部构件、应力计、钢管节点防护套筒下部构件、高支模钢管、应力报警器，其中钢管节点防护套筒上部构件与高支模钢管的上部连接，钢管节点防护套筒下部构件与高支模钢管的下部连接，钢管节点防护套筒上部构件与钢管节点防护套筒下部构件连接，且钢管节点防护套筒上部构件与钢管节点防护套筒下部构件之间置入应力计，应力计引出的应力连接线与应力报警器相连。该文件主要通过监控高支模中立杆的应力进行安全预警，在实际施工过程中，高支模单根立杆的轴力会超过设计限值但整个支模体系仍是安全稳定的，即采用该文件的安全预警方法容易在监控过程中产生误报的问题，导致现场施工混乱。公开号为【105321327A】的专利文件公开了一种用于高大模板支撑系统的自动监测系统，是基于微控制器、无线传输、测距仪、轴力计、测斜仪的自动化监测领域，可实现高大模板支撑系统多参数监测、无线传输管理的模块。该文件根据高大模板支撑系统的设计文件，测试在施工过程中的立杆轴力、支架沉降量和倾斜值等，通过无线数据传输技术进行数据的传输等。但未涉及高大模板支撑系统的在线预警技术等。公开号为【105444745A】的专利文件公开了一种模板支架变形监测自动报警器及其使用方法，由铅垂和报警监测装置组成，水平调节脚，固定在底座上，并与面板的气泡水平仪一起控制整个装置的水平，高度调节螺栓固定在底座的中央，并通过转动旋钮来设定模板支架变形的预警值。铅垂固定在将要监测的模板支架的顶部，并随模板支架的变形而向下移动。该发明能监测模板支架的变形量，并在模板支架变形超过预警值时自动报警。但该文件提供的变形监测方法仅适用于监控模板支架的沉降量，并需要将监测结果与设计给定的预警值进行比对，考虑到施工现场的诸多复杂因素，该文件提供的监测及预警方法容易产生误报、漏报等问题。公开号为【106092036A】的专利文件公开了一种模板支撑架变形远程实时监测系统和方法，包括角度传感器、位移传感器、测绳、无线数据传输装置、数据采集仪、远程计算机和声光报警模块；角度传感器固定于测量盒内部，将测量盒安装在模板支撑架监测位置作为上测点，该角度传感器用于测量该上测点与其铅垂线在地面上垂足连线变形前后的倾斜角度θ；位移传感器固定在地面上作为下测点；所述测绳的一端固定在上测点，另一端固定在位移传感器上，该位移传感器用于测量该测绳的伸长量δ，无线数据传输装置用于将角度传感器和位移传感器的数据θ、δ送至数据采集仪，通过远程计算机实时显示测点的水平位移x、竖向位移y、总位移r和倾斜角度θ。该文件同样为模板支架变形监控中较为传统的方法，需要模板支架方案设计人员提供较为准确的监控预警值，同时能够实现监测数据与预警值的在线比对，判断和预警等。公开号为【106643631A】的专利文件公开了一种高支模形变监测预警方法，选取至少一根立杆作为高支模的形变监测对象并用高支模形变监测预警设备对形变监测对象进行形变监测；高支模形变监测预警设备设有数据采集处理服务器和形变测量构件。形变测量构件在其所对应的立杆的每一个节点位置上固定安装有一个管夹；形变测量构件对应其所在立杆的两个相邻管夹设有三个万向节和两根杆件，形变测量构件对应每一根杆件均设有一个倾角传感器，每一个倾角传感器均固定在其对应的杆件上；数据采集处理服务器能够计算出高支模在每一根作为形变监测对象的立杆所在部位的形变状况。但该文件提供的变形监测方法同样是对单根立杆的倾斜变形进行监测的方法，容易在立杆较多时产生误报、漏报等问题。此外，该文件提供的变形计算方法较为繁琐，考虑到高支模系统的最危险状态为混凝土浇筑施工期间，时间很短，上述监测预警方法不能够实时反映高支模架的形变规律和特征，而且不能够实现提前预警。公开号为【207300212U】的专利文件公开了一种高支模安全监测系统，用于监测高支模的变形量，包括设置在高支模上的倾斜监测装置、沉降监测装置和若干个安装在高支模内的内部监测装置，倾斜监测装置、沉降监测装置和内部监测装置分别电连接有控制器；所述的内部监测装置内设有竖向检测室和设置在竖向检测室下方的横向检测室，竖向检测室内设有与控制器电连接的竖向压力传感器，竖向压力传感器通过竖向传力结构与高支模连接；所述的横向检测室内设有与控制器电连接的横向压力传感器，横向压力传感器通过横向传力结构与高支模连接。该文件提供的监测方法同样是传统方法，通过软件系统将监测数据与设计预警值进行比对，从而实现高支模安全监控。无法实现临界失稳状态的预判，也即无法对混凝土施工在较短时间内快速发出是否继续浇筑的指令。公开号为【106840092A】的专利文件公开了一种采用激光测距仪监测高支模的方法，包括如下步骤：S1、在位于高支模架体外侧的区域设置基准点支柱，其中，基准点支柱的下端向下穿过软土层后伸入并固定于基岩层，基准点支柱的上端则向上伸出地面；S2、在基准点支柱伸出地面的部分设置基准点，并在高支模架体上部安装与基准点相对的第一激光测距仪；S3、通过第一激光测距仪测量其与相应基准点之间的距离，并椐据距离是否发生变化判断高支模架体是否发生沉降以及沉降量。该文件仅提供了一种沉降量的测试方法，且施工较为麻烦，不太适合作为临时支撑体系的高支模实用，同时，该文件并未涉及高支模安全预警的技术。公开号为【207301752U】的专利文件公开了一种智慧工地管控平台的高支模变形实时监测系统，包括：高支模变形监控终端与智慧工地管理平台通信连接；智慧工地管理平台接收并存储高支模变形监控终端实时检测的数据信息，同时将数据信息同步上传至云端管理平台；其中高支模变形监控终端包括立杆倾斜监测器、水平位移监测器、模板沉降监测器、立杆轴力监测器、高支模数据综合分析仪与报警装置；高支模数据综合分析仪将上述监测器采集的实时数据进行存储与分析，并发送至智慧工地管理平台的数据库和服务器，报警装置用于在检测出数据异常时实时发出警报。该文件主要时提出了一种监测系统，将采用传统方法监测的结果(立杆倾斜、水平位移、模板沉降、立杆轴力) 与设计方案中的计算值和报警值进行对比，基于云端管理平台，进行数据的处理和报警。该文件提供的监测系统同样无法实现临界失稳状态的预判，也即无法对混凝土施工在较短时间内快速发出是否继续浇筑的指令。公开号为【206709818U】的专利文件公开了一种结构工程施工中高支模变形实时自动化监控系统，包括现场监测系统、服务器系统、客户端系统和全局监控系统，所述现场监测系统包括摄像头、测站、报警站和中心采集器，所述中心采集器分别与所述测站和报警站通过zigbee网络传输，所述中心采集器通过4G网络连接所述服务器系统，所述摄像头通过无线Internet网络连接所述服务器系统，所述服务器系统分别通过Internet网络连接所述客户端系统和全局监控系统。该文件重点介绍了如何构建高支模变形监控系统，同样无法实现临界失稳状态的预判，也即无法对混凝土施工在较短时间内快速发出是否继续浇筑的指令。公开号为【205508103U】的专利文件公开了一种无线高支模智能数据采集系统。所述无线高支模智能数据采集系统，包括传感器、采集终端、采集仪和服务器，所述服务器连接有若干个采集仪，每个所述采集仪无线连接若干个采集终端，每个所述采集终端连接若干个传感器，每个所述采集仪上均连接有报警器。所述服务器也能替换为PC机。该文件的特点为构建了无线数据采集系统，但对于钢管较多的高支模体系而言，无线传输设备往往会导致数据的丢失，不能够实时、准确地判断高支模架的安全性。

发明内容：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高支模体系临界失稳实时预警的监测方法，是根据高支模架的数值仿真分析结果，确定施工过程中受力较大的立杆及其对应的失稳区域，然后，基于上述计算分析结果，在现场高支模体系中通过布置立杆轴压传感器实时测试立杆轴力、通过布置拉线式位移传感器实时测量失稳区域的变形值，以立杆轴压传感器的实测轴力作为横坐标、拉线式位移传感器的实测位移作为纵坐标，实时绘制轴力-位移曲线，根据轴力-位移曲线斜率是否发生突变判断高支模体系的稳定性，本发明所提出的方法具有实时、精确、高效的特点。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种高支模体系临界失稳实时预警的监测方法，步骤如下：

步骤一、建立高支模架的整体分析模型；建立的高支模架整体模型需与现场实际搭设方案完全一致；包括：高支模架整体模型的高度、宽度、长度；立杆的布置间距、立杆顶部的悬臂长度、水平杆的步距、最底层水平与支撑面的距离、剪刀撑或斜杆的布置位置；高支模架整体模型中立杆与水平杆的连接节点采用半刚性节点。

步骤二、通过高支模架的失稳分析，得出高支模体系的多种失稳形态，提取出可用于临界失稳状态提前预警的平面、立面；同时，提取出失稳形态对应的立杆。

具体实施步骤为：

步骤1、在高支模架整体模型中，根据混凝土浇筑的位置图或加载区域的布置图，施加荷载；

步骤2、进行高支模架的特征值屈曲分析，确定结构的失稳临界荷载；

步骤3、根据特征值屈曲分析结果，在荷载区域施加1.5倍的失稳临界荷载值；

步骤4、考虑几何非线性和材料非线性，进行高支模架整体模型的非线性屈曲分析，荷载步总步数设置为100步；

步骤5、根据非线性屈曲分析结果，提取出失稳形态前一个荷载步中发生较大变形的平面和立面，以及对应的立杆；

步骤6、确定以步骤5提取的高支模架平面、立面和对应的立杆作为临界失稳状态的监控对象。

步骤三、根据步骤二的分析结果，在高支模体系对应的平面、立面上布置拉线式位移传感器、在高支模体系对应的立杆顶部布置轴压传感器。

步骤四、在混凝土施工过程或加载过程中，实时采集、分析拉线式位移传感器和立杆轴压传感器的测试数据。

步骤五、监测过程中，实时地将拉线式位移传感器数据和立杆抽压传感器数据绘制成荷载-位移曲线。

具体实时步骤为：

步骤(1)、实时、同步采集拉线式位移传感器和立杆轴压传感器数据；

步骤(2)、立杆轴压传感器数据作为横坐标、拉线式位移传感器数据作为纵坐标，实时绘制混凝土浇筑或加载过程中的荷载-位移曲线；

步骤(3)、根据荷载-位移曲线中相邻2个点的数据，实时计算荷载-位移曲线的斜率值。

步骤六、根据荷载位移曲线出现斜率突变的特点，判定高支模体系临界失稳状态。

通过荷载-位移曲线和斜率计算结果，实时捕捉高支模架的整体稳定状态；当荷载-位移曲线的斜率值连续3次出现较大变化、且荷载-位移曲线出现位移急剧增大趋势时，判定高支模架的状态接近了临界失稳状态，下一个施工阶段或加载等级期间高支模架会失稳破坏。

步骤七、根据步骤六临界失稳状态的判断，对混凝土浇筑或加载及时发出停止施工或加载的指令。

有益效果：本发明解决了长期以来高支模体系失稳临界状态无法及时预警的技术难题，基于本发明提供的方法可以实时采集混凝土浇筑过程中高支模体系中立杆的轴力和对应区域的变形值，根据轴力- 荷载位移曲线，可对高支模体系是否进入失稳临界状态进行实时判断，实现高支模体系稳定性的及时预警，确保高支模体系在混凝土浇筑过程中的安全性，避免因高支模体系垮塌安全事故。

附图说明：

图1是高支模架的整体三维有限元模型；

图2是高支模架的失稳形态图，(a)失稳形态三维轴测图、(b) 失稳形态立面图；

图3是高支模体系中立杆顶部传感器的布置图；1-立杆顶部轴压传感器；2-立面拉线式位移传感器；

图4是图3的俯视图；3-平面拉线式位移传感器；

图5是立杆顶部轴压传感器1的实物图；(白色圆圈圈出的部分)；

图6是立面拉线位移传感器2的实物图(白色圆圈圈出的部分)；

图7是平面拉线位移传感器3的实物图；

图8是顶部平面内提线式位移传感器(即平面拉线式位移传感器 3)的实测数据；

图9是外侧立面内提线式位移传感器的实测数据-1，横坐标是时间轴，纵坐标是位移值；

图10是外侧立面内提线式位移传感器的实测数据-2；

图11是高支模架加载全过程的荷载-位移曲线(由立面拉线位移传感器2所测数据转换)；

图12是高支模架加载全过程的荷载-位移曲线(由平面拉线位移传感器3所测数据转换)。

具体实施方式：

以下将结合实施例具体说明本发明的技术方案：

实施例1

一种高支模体系临界失稳实时预警的监测方法，步骤如下：

(1)、建立高支模架的整体模型；高支模架体系的整体三维有限元计算模型如图1所示；立杆4截面为Ф48×3.0，立杆材质Q345B，立杆间距1200mm，步距1500mm，斜杆满布，立杆底部悬臂长度 200mm，立杆顶部悬臂高度300mm。

(2)、通过高支模架的失稳分析，得出高支模体系的多种失稳形态(陈安英,郭正兴,杨启龙.承插型盘销式钢管支架结构稳定性试验与参数分析[J].《施工技术》，2015，44(14):76-82.)，提取出可用于临界失稳状态提前预警的平面、立面(图2、图3、图4)；同时，提取出失稳形态对应的立杆4。

(3)、根据步骤(2)的分析结果，在高支模体系对应的立面(图 3)、平面(图4)上布置立面拉线式位移传感器2、平面拉线式位移传感器3、在高支模体系对应的立杆顶部布置立杆顶部轴压传感器1；

(4)、在混凝土施工过程或加载过程中，实时采集、分析拉线式位移传感器和立杆轴压传感器的测试数据(见图8-10)；

(5)、监测过程汇总，实时地将拉线式位移传感器数据和立杆抽压传感器数据绘制成荷载-位移曲线(见图11-12)；

(6)、根据荷载位移曲线出现斜率突变的特点判定高支模体系临界失稳状态；图11-12中圆圈标记处为实时监控数据的突变点，这一状态接近了临界失稳状态，下一个加载等级期间支架出现立杆失稳破坏；

(7)、根据步骤(6)临界失稳状态的判断，对混凝土浇筑或加载及时发出停止施工或加载的指令。

Claims (5)

1.一种高支模体系临界失稳实时预警的监测方法，其特征在于，步骤如下：

（1）、建立高支模架的整体模型；

（2）、通过高支模架的失稳分析，得出高支模体系的失稳形态，提取出可用于临界失稳状态提前预警的平面、立面，同时，提取出失稳形态对应的立杆；

（3）、根据步骤（2）的分析结果，在高支模体系对应的立面、平面上布置立面拉线式位移传感器（2）、平面拉线式位移传感器（3）、在高支模体系对应的立杆顶部布置立杆顶部轴压传感器（1）；

（4）、在混凝土施工过程或加载过程中，实时采集、分析拉线式位移传感器和立杆轴压传感器的测试数据；

（5）、监测过程中，实时地将拉线式位移传感器数据和立杆轴压传感器数据绘制成荷载-位移曲线；

（6）、根据荷载位移曲线出现斜率突变的特点判定高支模体系临界失稳状态；

（7）、根据步骤（6）临界失稳状态的判断，对混凝土浇筑或加载及时发出停止施工或加载的指令。

2.权利要求1所述的一种高支模体系临界失稳实时预警的监测方法，其特征在于，步骤（1）中，建立的高支模架整体模型需与现场实际搭设方案完全一致；包括：高支模架整体模型的高度、宽度、长度；立杆的布置间距、立杆顶部的悬臂长度、水平杆的步距、最底层水平与支撑面的距离、剪刀撑或斜杆的布置位置；高支模架整体模型中立杆与水平杆的连接节点采用半刚性节点。

3.权利要求2所述的一种高支模体系临界失稳实时预警的监测方法，其特征在于，步骤（2）中，高支模架的失稳分析需采用非线性有限单元法，并根据非线性屈曲分析结果提取出用于临界失稳状态预警的高支模架平面、立面和对应的立杆；

具体实施步骤为：

（1）在高支模架整体模型中，根据混凝土浇筑的位置图或加载区域的布置图，施加荷载；

（2）进行高支模架的特征值屈曲分析，确定结构的失稳临界荷载；

（3）根据特征值屈曲分析结果，在荷载区域施加1.5倍的失稳临界荷载值；

（4）考虑几何非线性和材料非线性，进行高支模架整体模型的非线性屈曲分析，荷载步总步数设置为100步；

（5）根据非线性屈曲分析结果，提取出失稳形态前一个荷载步中发生较大变形的平面和立面，以及对应的立杆；

（6）确定以第（5）步提取的高支模架平面、立面和对应的立杆作为临界失稳状态的监控对象。

4.权利要求1所述的一种高支模体系临界失稳实时预警的监测方法，其特征在于，步骤（5）中实时绘制用于失稳临界状态判别的荷载-位移曲线，具体实时步骤为：

（1）实时、同步采集拉线式位移传感器和立杆轴压传感器数据；

（2）立杆轴压传感器数据作为横坐标、拉线式位移传感器数据作为纵坐标，实时绘制混凝土浇筑或加载过程中的荷载-位移曲线；

（3）根据荷载-位移曲线中相邻2个点的数据，实时计算荷载-位移曲线的斜率值。

5.权利要求1所述的一种高支模体系临界失稳实时预警的监测方法，其特征在于，步骤（6）中，通过荷载-位移曲线和斜率计算结果，实时捕捉高支模架的整体稳定状态；当荷载-位移曲线的斜率值连续3次出现较大变化、且荷载-位移曲线出现位移急剧增大趋势时，判定高支模架的状态接近了临界失稳状态，下一个施工阶段或加载等级期间高支模架会失稳破坏。