刘雄美
（中铁二十一局集团 第二工程有限公司, 甘肃 兰州 730000）
风雨操场需建造挑高、大跨度的高大建筑物来满足学生在特殊气象条件下进行室内体育活动的需求。随着科技的进步和新材料的出现, 使风雨操场这类挑高、大跨度高大建筑物的建造成为可能。高大建筑物在混凝土构件浇筑过程中的支撑模板一般属于高大模板, 这类高大模板支撑体系是大跨度建筑施工中常见的作业方式。高大模板支撑体系的杆件、架体受到冲砸、扯拉、扭转等突发荷载时, 容易发生整个支撑体系的突然失稳；
支撑体系的失稳通常在施工过程中突然发生, 且高支模施工过程具有复杂性与危险性[1］。支撑体系坍塌不仅延误工期, 而且带来巨大的生命和财产损失[2］。因此, 为确保模板支撑系统的稳定和安全, 必须对风雨操场这类高支模的稳定性进行实时监测[3］。
高支模监测是建筑工程的重要环节之一, 其直接影响施工安全。高大模板支撑体系的搭接稳定性、可靠性关系着施工人员的安全, 存在模板支撑架体不稳定、监测不到位、支架变形等情况引起模板倒塌而造成人员伤亡事故的风险。传统的高支模监测是用全站仪、水准仪等进行监测, 对架体搭接比较密集的区域无法满足理想监测, 而某些人为因素也会导致监测误差大、精度不准确, 难以满足高支模监测要求。高大模板支撑体系的坍塌具有突发性、破坏性大等特点, 很容易造成人员伤亡, 如2000年10月25日南京一工地模板支撑系统失稳屋面坍塌, 造成6人死亡35人受伤, 2020年1月5日15时30分左右湖北武汉一工地高支模坍塌导致6人死亡5人受伤。
传统高支模的监测往往利用水准仪、全站仪对支撑体系的变形开展现场测量[4-5］, 采用人工监测手段无法保证监测人员的安全[6］, 同时, 高大模板支撑体系某些监测区域的模板搭接密集, 以致无法在理想监测区开展人工现场监测, 导致监测数据不能满足精度要求。高支模自动监测系统具有监测频率高、精度高、满足24 h 全天候监测特征；
特别是当监测数值超过预警值时安装了监测软件APP的手机会收到监测系统的自动报警, 这能给现场施工人员留有足够时间快速撤离现场, 同时可以给相关技术人员提供一定的时间采取补救措施, 避免支架体系坍塌事故发生, 保证了施工安全和施工进度[7-10］。
通过文献检索发现, 西北地区对高大模板支撑体系的自动监测研究成果较少, 本论述以兰州市城关区一小学教学楼风雨操场为依托, 开展了混凝土浇筑过程中模板架体各项指标的监测, 所得成果可为类似工程提供参考。
高支模自动监测系统由现场监测体系、数据传输系统和客户端构成。现场监测体系主要包含传感器和通信电缆, 数据传输系统主要由综合采集模块和无线收发模块构成, 客户端主要是安装有数据采集软件的计算机或手机。传感器包括轴力传感器、位移传感器、倾角传感器；
综合采集模块由接线柱、模块器体、集成电路板、芯片组成, 主要是将轴力传感器、位移传感器、倾角传感器所监测到的数据进行不间断的实时采集, 通过接线柱连接无线收发模块, 实现与客户端的数据传递。无线收发模块通过GPRS 网络实现计算机或手机与采集单元的无线连接。
1.1 传感器
位移传感器是利用钢丝位移计和钢丝拉绳测取搭接架体的位移, 利用通信电缆把监测到的数据传送到综合采集模块上, 再通过无线收发模块把监测到的数据上传到客户端, 通过分析和计算对高大模板支撑体系的工作状态进行评估和预报；
轴力传感器是利用智能弦式支模轴力计在立杆支架上测取轴力；
倾角传感器是利用支模测斜探头采用简便安装方式固定在支模管架上, 通过支模管架的倾斜角度采集数据。
1.2 综合采集模块
综合采集模块是将位移传感器、轴力传感器、倾角传感器所监测到的数据进行收集, 是高大模板支撑体系自动监测系统的二次仪表, 二次仪表由接线柱、模块器体、集成电路板、芯片组成, 通过接线柱连接无线收发模块, 二次仪表采集钢丝位移计、智能弦式支模轴力计、支模测斜探头监测到的数据, 实现野外环境长期无人值守的自动化测量。
1.3 无线收发模块
无线收发模块安装于密封箱内, 通过GPRS 网络、internet 网络实现上位机与采集单元无线连接。无线数据收发软件为安装软件的电脑提供识别代码, 使安装在现场的无线模块能自动寻找到该电脑, 并建立两者间的数据联系, 从而实现数据交换, 完成远程测试。
2.1 工程概况
该工程东侧和南侧为一居民小区、西侧为政府机关、北侧为道路。因而, 存在周边拆迁征地难度大、成本高的问题, 基于此, 该工程是在原有一栋教学楼拆除后原地建设了集教学、办公、运动为一体的单体建筑物, 风雨操场为地下室。地上6层为框架结构的教学和办公楼, 地下室高9 m、梁体跨度19 m, 梁体浇筑中采用模板是典型的高大模板支撑体系。
2.2 监测内容
2.2.1 监测项目
该风雨操场高支模自动监测项目有：立杆支架的沉降、轴力和倾角。
2.2.2 监测次数及频率
（1）监测时间：从混凝土浇筑前开始一直到模板拆除。
（2）初始值：各立杆支架和模板搭接稳定后的监测值作为初始值。
（3）监测频率：每10 min监测1次。
（4）预警值：立杆沉降位移达到5 mm；
轴力达到15 kN；
倾角达到5°。
2.3 监测点的布置
选取风雨操场地下室中间两根梁的支架模板作为监测对象, 两根梁的长宽高分别为：19 000 mm×600 mm×1 600 mm, 梁底距离地面的高度为8.5 m。对于梁而言, 梁最容易的破坏位置在梁中央, 于是梁中央就是本次监测的重点位置, 传感器均安装在梁变形最大的位置。
对梁体而言荷载作用下形变最大位置在梁中央, 因此, 本次监测传感器布置在梁中央下方的支架和模板上。在两根梁下方模板及支架上分别布置1个位移计传感器、1 个轴力计传感器和1 个倾角计传感器, 共计6 个传感器。1 号梁和2 号梁的两端与柱子固接, 两根梁的中点下方模板支架上布置轴力计, 轴力计两侧相距400 mm的模板支架上布置位移计和倾角计, 具体监测点位置及监测点编号如图1所示（图中尺寸单位以mm计）。这样选取监测点, 不光对梁进行必要的监测, 还对于以后数据分析对比提供了方便。
图1 模板支架监测点位置及监测点编号
混凝土浇筑当中和养护过程对高支模进行了位移、轴力和倾角监测, 采样频率10 min一次。
从受力角度看1号梁和2号梁两端与柱子固接, 可以将上部结构传下来的荷载通过横梁直接传给柱子, 柱子再传给地基基础, 梁的两端与圈梁连接, 上部结构的力是先传给横梁, 横梁再传给圈梁, 再传给柱子最后传给地基基础, 显然柱子承受荷载要比圈梁好。
从安装位置分析, 1号梁与2号梁两端均是与柱子固接, 且传感器在每一根梁上的安装顺序都相同, 监测结果原则上受力、变形应相似。数据监测结果显示, 实际情况与分析相符合。数据有微小差异是因为传感器在安装的时候, 1号梁和2号梁的位移计与倾角计距离梁中间的距离不同, 1号梁相比2号梁多10 cm。
从变形角度来看混凝土抗压不抗拉, 钢筋抗拉不抗压, 1号梁、2号梁和柱子固接, 钢筋通过匝丝绑扎, 再与模板结合, 钢筋混凝土浇筑在一起, 1号梁、2号梁传来的荷载传给柱子；
荷载先通过横梁受载, 横梁再传给圈梁, 圈梁也会受到变形, 横梁不像柱子一样直接把荷载传给地基, 从这个角度看, 1号梁、2号梁只受了一次变形便达到稳定。
3.1 位移
监测期间模板支架的竖向位移随时间的变化情况如图2所示。从图2可以看出混凝土浇筑前, 模板最大位移均不超过1 mm, 位移的变化主要是行人等偶然荷载作用引起的。混凝土浇筑过程中2个监测点的位移突然增加, 相比浇筑前后监测点1的位移最大变化值达到2.63 mm、监测点4的位移最大变化值为2.60 mm, 但是两个位移监测点混凝土浇筑前后位移的变化量均未超过预警值5 mm。混凝土浇筑完成后各个监测点的位移较稳定, 最大值在1 mm 之内变化；
随着混凝土养护龄期的延长, 监测点的位移波动也越来越小, 逐渐趋向定值, 这可能和混凝土强度的提高、外界荷载的影响越来越小有关。总之, 该风雨操场高大模板支撑体系在混凝土浇筑过程和养护期两个位移监测点的位移都比较稳定。
图2 模板支架位移的变化情况
混凝土浇筑过程中两个监测点的位移一直维持在比较理想范围内, 监测值从始至终一直小于所设置的预警、报警值, 随着荷载增加, 位移呈现逐步增大后趋于平缓, 监测点1的位移最大, 监测点1和监测点4的位移递增后趋于稳定, 两者稳定值大小相近。从位移分析可知：支架与既有固定结构构件的拉结措施较好, 架体抗侧移能力较强。
3.2 轴力
风雨操场高大模板支撑体系监测点2、监测点5的轴力随时间变化情况如图3 所示。混凝土浇筑前2 个轴力监测点的轴力均趋近0, 开始浇筑混凝土后轴力数据开始变化, 其中监测点5 的轴力变化最大, 达到11.29 kN, 监测点2的轴力变化值为10.12 kN, 但两个监测点的轴力变化值均未超过预警值15 kN。混凝土养护过程中, 监测点2 和监测点5 的轴力波动很小, 都在2 kN范围内。
图3 模板支架的轴力变化情况
轴力监测前, 两个监测点的轴力变化趋势走向是一致的, 从浇筑混凝土开始轴力变大, 到浇筑完成轴力各自趋于一个较稳定的值, 从图3 可以看到, 监测点5轴力变化量最大, 数据变化量一直在理想的变化范围之内, 趋于稳定之后监测点5轴力最大值12.415 kN。
3.3 倾角
风雨操场高大模板支撑体系监测点3、监测点6的倾斜角度变化情况如图4所示。高支模倾角测试结果最明显的特点是X和Y方向的角度变化值都很小, 3号监测点倾斜角度最大, 最大值达到0.29°, 监测点3倾角累计变化量0.03°～0.29°, 监测点6 倾角累计变化量0.05°～0.11°, 说明混凝土浇筑和养护过程中立杆的稳定性良好。
图4 模板支架倾角的变化
在风雨操场地下室高大模板支撑体系上布置了智能弦式支模轴力计、钢丝位移计、支模测斜探头, 对混凝土浇筑过程中的立杆轴力、立杆倾角、支架位移开展了监测, 利用互联网+高支模可视化安全监控系统传输监测数据, 根据监测数据的变化情况对高支模工作状态进行评估和预报, 所得主要结论有：
（1）自动监测系统可以实现对高大模板支撑体系的高频率、高精度、可预警的不间断监测, 保证了施工安全。
（2）高支模自动监测系统代替了传统的现场人工监测, 实现24 h全天候无人值守监测作业。
（3）高支模自动监测系统所得数据可在计算机或安装有监测系统软件APP的手机上实时查看, 监测到的数据以图像形式展现出来, 方便技术人员参考。
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