高大模板支撑系统实时安全监测关键技术研究与应用

吴福成，叶建新，缪 丹

（1、广州广检建设工程检测中心有限公司 广州 510405；2、广东省建筑物健康监测与安全预警工程技术研究中心 广州 510405）

0 引言

近年来，随着社会经济的迅猛发展和城市化进程的加速推进，现代建筑的规模不断增大，高净空、大跨度的现浇混凝土结构成为建筑领域的主要趋势。为了满足这一需求，高大模板支撑结构作为一种通用性强、施工方便、整体刚度较好、承载能力较大的解决方案得到了广泛应用［1-4］。随之而来的是对模板工程生产安全管理要求的不断提升，国家和各省市相关主管部门相继出台了一系列文件和规范，旨在加强对高大支模工程施工过程的安全管理。与此同时，过去发生的模板支撑系统坍塌事故和安全隐患引得了工程界对高大支模工程施工过程连续实时监测的日益增长需求。为减少工程事故的发生，降低生命和财产损失，借助传感和通讯技术的进步以及工程经验的积累，引入实时安全监测技术已成为必然选择［5-6］。与传统的人工光学仪器观测方法相比，实时安全监测技术能够解决传统方法监测的参数、空间和时间的盲区。除了能按传统方法监测支撑系统的变形外，还能实时、直观地反馈支撑结构受力和变形的监测数据变化。首先，通过数值模拟研究高大支模的受力变形和破坏机理，明确评估高大支模工作状态的监测参数。其次，借助自动化和信息化手段，建立高支模实时监测警报系统。系统集成了高支模破坏机理、数值模拟、典型事故案例分析、现场实时监测的成套技术，可以对支撑系统进行自动化监测、实时分析传送和自动报警，以主动发现和解决潜在安全隐患，提高监测的准确性和及时性。此外，通过巡视检查作为补充方法，可以进一步提高监测预警的有效性。通过实际工程可以证明，该系统应用将为高大支模工程的施工安全和质量提供有力的支持和保障，为未来的建筑工程提供更安全、更可靠的支撑系统，从而减少事故风险，保障工程顺利进行和人员安全，并促进工程施工安全管理的进一步改进和发展。

1 数值模拟

运用SAP2000 软件，建立了高支模支架体系的有限元模型，计算分析了支架体系的模态振型、轴力、应力及位移。然后分析了偏载（水平荷载）、连接件、地基沉降等对支架体系整体稳定承载力的影响。

1.1 有限元模型

1.1.1 模型建立

高支模支架有限元模型如图1所示，使用杆件规格均为Q235，直径为48 mm，厚3.5 mm钢管。其中，纵向共18跨（X方向），横向共8跨（Y方向），竖向共10步（Z方向）。纵向跨宽为1.0 m，横向跨宽为0.8 m，竖向步宽为1.2 m；扫地杆距地20 cm，立杆顶部伸出横杆20 cm；模型总高为12.4 m。竖向连续式剪刀撑设置在外侧周围和中间（纵向每隔6跨），并设置水平剪刀撑（扫地杆处开始）。

图1 有限元模型示意图Fig.1 Diagram of Finite Element Model

1.1.2 模型荷载

支架结构的荷载主要来源于混凝土、模板和施工作业等，并根据《建筑施工门式钢管脚手架安全技术标准：JGJ/T 128—2019》［7］和《施工脚手架通用规范：GB 55023—2022》［8］要求，恒、活荷载的分项系数分别为1.2和1.4：

⑴恒荷载，有支架自重、其上部混凝土及模板自重所产生的荷载，为40 kPa均布荷载；

⑵活荷载，施工人员及机具运输堆放的荷载，为2.5 kPa 均布荷载；以及振捣混凝土时产生的荷载，为2.5 kPa布荷载。

1.1.3 基本假定

为了方便支架的稳定承载力分析，采用以下假设：

⑴模型为三维空间杆件结构体系，支架的上、下端与模板和底座均为铰接，剪刀撑与支架为铰接，立杆单元间为刚接，横杆单元与立杆单元为半刚性连接；

⑵模型不考虑风、地震作用；

⑶支架杆件之间无轴向偏差，所有杆件轴线都在同一框架平面内，杆件无初始弯曲且杆件搭设垂直。

1.2 计算结果分析

1.2.1 结构振型分析

模型各阶详细模态信息如表1 所示，由振型分析可知：高大支模支架体系刚度较大，结构布置规整，刚度分布均匀，前六阶振型依次为平动、平动、扭转、平动、平动、扭转。

表1 支架体系各模态频率及周期Tab.1 The Modal Frequency and Period of Support System

1.2.2 结构受力分析

根据支架受力分析，可以得出以下结论：

⑴水平杆不受力或承受拉力，水平纵杆和水平横杆基本不受力，水平剪刀撑承受拉力，其中，以水平剪刀撑端部承受拉力最大；

⑵立杆承受轴向压力，其中底部立杆轴力受力最大；应力比较大杆件分布在支架底部且与竖向剪刀撑搭接的立杆上，支架顶部（立面上）及支架中部（平面上）

⑶竖向剪刀撑承受拉力。

1.2.3 结构变形分析

⑴变形姿态分析（未考虑连接件的情况）

如图2 所示，支架体系的失稳形式为整体失稳。内、外立杆与横向水平杆组成的横向框架，在Y方向上有较大鼓曲。

图2 YZ立面视角位移示意图Fig.2 Diagram of YZ Facade Perspective Displacement

⑵变形分布

支架顶部水平位移最大（未考虑连墙件的束缚作用），整体呈现向支架弱刚性方向的大波鼓曲，因此，立面分布上，水平位移最大点分布在以竖向剪刀撑为单元的第一步和最后一步水平杆对应的立杆上，倾斜最大为竖向剪刀撑交叉位立杆上。

1.2.4 结构稳定性分析

⑴偏载（水平荷载）对支架结构稳定性的影响

采用英国规范BS5973 推荐的办法进行屈曲分析，研究偏载（水平荷载）对支架结构稳定性的影响。如图3 所示，支架的整体稳定承载力随水平荷载的增加而不断降低。当水平虚拟荷载小于1.5%Pu时，支架的整体稳定承载力基本保持不变；当水平虚拟荷载大于1.5%Pu时，随荷载增加，承载力迅速下降；当水平虚拟荷载取4.0%Pu时，稳定承载力降至原来一半。

图3 偏载（水平荷载）与支架稳定承载力关系示意图Fig.3 Relationship Diagram between Partial Load（Horizontal Load）and Stability Bearing Capacity of Support

⑵连接件对支架结构稳定性的影响

在模拟半刚性节点分析时，SAP2000 软件的处理是将横杆单元两端的弯矩释放，再将刚度设置成某一特定的数值，以此来模拟节点的半刚性。为研究连接件对支架结构稳定性的影响，先将连接件刚度设置为0 kN·m/rad。随连接件刚度增大，支架体系的失稳形式由内、外立杆与横向水平杆组成的横向框架，在X方向上呈现大波鼓曲变为沿Y方向出现大波鼓曲；当连接件接近刚接时，支架体系的失稳形式又重新变为沿X方向大波鼓曲。

⑶地基沉降稳定性的影响

地基的不均匀沉降是高支模支架倒塌破坏的一个重要原因。当地基发生不均匀沉降时，支架产生局部变形，外荷载向支架某处集中，致使该处承载力不足或不稳定而引起整个结构的倒塌破坏。为模拟地基沉降，分别对边跨立杆和中跨立杆底部支座处施加竖向位移，其计算结果如图4所示。边、中跨沉降对支架的整体稳定承载力影响规律基本一致。支架承载力随沉降增加而下降，当沉降量小于0.02 m 时，承载力下降速度较慢；当沉降量大于0.02 m 时，承载力迅速下降，在沉降量为0.2 m 时，支架的稳定承载力仅为无沉降时的1/4。

图4 地基沉降与支架稳定承载力关系示意图Fig.4 Relationship Diagram between Foundation Settlement and Support Stability Bearing Capacity

不同地基沉降下支架的失稳形式与支架体系无沉降时的失稳形式相同（支架在YZ平面内发生失稳）。当发生地基沉降时，内、外立杆与横向水平杆组成的横向框架在Y方向上大波鼓曲变形。随着沉降量的增加，支架体系的失稳形式由整体失稳慢慢过渡到局部失稳，局部失稳破坏时，立杆在步距之间发生小波鼓曲。

2 监测参数设置建议

根据以上计算分析，并结合实际工程案例通过模拟可能存在的引起支架失稳、坍塌的各种因素［9-11］，分析支架的受力分布及变形特征，监测参数设置建议如下：

⑴支架水平位移：在不考虑连墙件作用下，支架水平位移呈现大波鼓曲，支架整体位移顶部大于其他部位，以竖向剪刀撑划分，立杆水平位移最大点为1/4及3/4竖向剪刀撑间距处；

⑵支架倾斜：立杆水平位移最大倾斜点为1/2 竖向剪刀撑间距处及竖向剪刀撑交接位置；

⑶立杆轴力：立杆底部与剪刀撑搭接处轴力最大；

⑷基础沉降：当基础沉降量大于0.02 m 时，承载力迅速下降；支架中部沉降对整体承载力较支架边影响更大；

⑸其他：水平剪刀撑受拉力；偏载对支架影响巨大，支架不同刚度方向，允许变形值不同，总体原则为刚度较强一侧允许变形值更小。

3 高支模实时监测警报系统

3.1 高支模实时监测警报系统

目前，施工现场安全管理已有更高要求，然而高支模安全检测方法目前主要还停留在传统的光学观测、人工报警的基础上。为此，运用信息化、自动化技术实现监测数据自动采集、实时分析传送、自动报警；对在建高支模系统进行信息化监管的模式，克服传统监测方法监测区域覆盖面较小、监测参数不足、监测不及时、超限报警响应速度慢、无法实施统一监管等缺点。

如图5 所示，高支模实时监测警报系统由五大部分组成：压力、位移、倾角传感器；数据采集仪器；软件监测平台；声光报警装置；后备电源。通过高支模实时监测警报系统，可以实现监测高支模体系的安全状态，判断高支模体系状态和预警、报警功能。

图5 高支模实时监测报警系统示意图Fig.5 Diagram of High Formwork Real-time Monitoring Alarm System

高支模实时监测警报系统采用自动化仪器进行监测，传感器可以安装在高支模内部的各个薄弱部位，实现全方位监测。系统可以进行高频率的采样，实现施工全过程监控。系统配有声光报警装置，一旦出现监测值超限，可以实现自动报警功能，通知施工人员避险。整个监测项目的数据可以储存和查询，为安全监管和事后处理提供真实资料，为高支模管理信息化奠定了基础。

3.2 巡视检查方法

高大模板工程浇筑期间使用的实时安全监测技术，以人工巡视检查作为补充措施，将巡视检查分为首次巡查与过程巡视检查。其中，首次巡查将监测工作向前延伸，保证了监测工作与整个高支模工程的衔接，也对监测人员的专业性提出要求；定期巡查则是复核浇筑过程监测数据合理性的验证措施。

3.2.1 首次巡查

通过在测点安装时，巡视检查支撑结构的搭设是否存在明显缺陷或不足，及时反馈支撑结构的实际情况。首次巡查宜重点关注以下内容：

①顶托自由端长度；

②立杆间距、水平杆间距、扫地杆；

③基础形式及立杆垫块；

③剪刀撑、斜撑的设置。

3.2.2 定期巡查

在监测过程中，监测人员以监测设施及施工工况为主要巡查内容，其中宜包括施工工况，监测设施情况，基准点、参考点和测点情况以及是否有影响监测工作的障碍。

4 结论

高支模实时监测警报系统借助巡视检查，实现了高支模监测的自动化、信息化升级转型，对建筑工程领域监测技术的发展起到了重要推动作用。该系统集成了数值模拟、现场实时监测等多项技术，成功实现了监测数据的自动采集、实时分析传送和自动报警。通过主动监测和解决潜在安全隐患，监测管理由被动转为主动，监管由事后抢险向事前和事中转变，能够及时消除工程隐患，保障施工安全。这一创新性系统的应用为建筑工程施工安全管理带来了重大进步和改进。