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蒋平平，冯 凯，朱薇娜，何贤健，郏鸿韬，李 强
(1.浙江省二建建设集团有限公司，浙江 宁波 315200；
2.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；
3.浙大宁波理工学院土木建筑工程学院，浙江 宁波 315100)
近年来，随着我国建筑行业各项技术发展与完善，建筑整体向高度更高、跨度更长等方向发展，对技术要求也随之提高，使超高模板支撑体系应用也愈加广泛。目前，超高支撑体系有4种定义：施工现场具有8m以上支撑高度的模板支撑体系、搭设跨度18m以上的模板支撑体系、施工过程中具有15kN/m2以上总荷载的模板支撑体系、集中线荷载>20kN/m 的模板支撑体系[1]。然而，模板支撑体系作为临时支撑，设计和管理理念并未得到较大重视，支撑体系倒塌情况时有发生，仅2018年全国发生的22起较大及以上事故中，有10起事故是因支撑体系坍塌而引起[2]。
随着施工高度的不断升高，支撑体系自重及变形也逐渐增大，导致其稳定性逐渐减弱。此外，支撑体系易受搭设材料及搭设方式的限制，再加上超高施工条件使其受到风荷载及施工荷载的耦合效应越发明显，超高模板支撑体系安全性也越难以保障。尤其是我国沿海地区时常遭受台风侵扰，在风荷载与上部施工荷载耦合作用下可能会导致支撑结构出现损伤甚至破坏倒塌。针对支撑体系安全稳定性问题，国内外学者均进行了相应研究，如Peng等[3]以门式及扣件式脚手架为研究对象，指出斜撑对超高支模架整体稳定性的影响；
Yue等[4]对提升式脚手架进行风洞试验，指出风荷载对超高支模架整体稳定性有较大影响。
然而对于高支模支撑架，我国并未形成成熟的计算理论，与之相关的设计研究工作也停留在初级发展阶段，我国学者仍将其计算模型的探讨作为研究焦点[5]。如王翠英等[6]利用动力学方法在有限元模拟中施加动力风荷载，模拟风荷载作用下模板支撑体系承载力影响效应；
陈永瑞等[7]根据实际工程，针对某碗扣式脚手架支撑体系进行现场试验，分析得到该系统在混凝土浇筑过程中受力变化规律，随后利用有限元软件进行计算，得到碗扣式脚手架更为合理的计算模型。但在目前研究中，极少有学者对风荷载作用下超高支撑体系进行施工监测。由于超高支撑体系高度高，自重及变形大于普通支撑体系，在施工期间也更易发生安全隐患。因此，针对超高支撑体系监测和研究工作变得至关重要。然而普通监测方法主要以人工为主，由于工地空间限制，该方法用以获取实测数据具有局限性。基于此，为实时掌握在风荷载及上部施工荷载耦合作用下超高模板支撑体系安全性，本文以某工程中超高模板支撑为依托，利用物联网系统实时获取支撑体系位移变化情况。
宁波市某科技产业园项目由主楼及裙楼组成，其中超高区域位于主楼大堂部位。超高区域支模架立面如图1所示，区域内支模架高度最高达9m，跨度达57.1m，其中连续设置3道水平剪刀撑及1道竖向剪刀撑。连接节点如图2所示，采用盘扣式连接方式。
图1 支模架立面
图2 盘扣式支模架连接节点
2.1 监控设备
如图3所示，为实现实时监测支模架状态，选取具有实时上传数据功能的倾角传感器(型号为WEMS401)，该仪器可根据3个轴向倾角变化计算出支模架偏移情况，测量内容为x，y，z轴倾角，上传数据为3个轴向倾角平均值、最大值、最小值，量程为±90°，灵敏度为0.001°，最大误差为0.01°。此外，由于研究内容与风速密切相关，因此，需在场地内安装气象站用来监测该地风速、风向情况。基于此，选取具有存储、实时监测功能的小型气象站。气象站监测设备如图4所示，该仪器可实时自动记录场地风速、风向变化情况并可将数据通过网关发送至终端，上传数据包含当前风速、最小风速、最大风速、平均风速等。
图3 倾角传感器
图4 小型气象站
2.2 监控方案
以该工程主楼大堂区域超高支撑体系为研究对象。为分析支模架在风荷载及上部施工荷载耦合作用下的位移情况，施工现场超高区域及仪器布置如图5所示，仪器均利用抱箍固定在测点,布置8个倾角传感器(1610，1611，1612，1614，1615，1616，1617，1618)及1个振动传感器(4600)。为更直观地观测塔式起重机受台风作用的影响，将倾角传感器收集数据频率设置为1min/次。在施工场地内安装有1个小型气象站用来监测施工场地内风向、风速变化，如图6所示。
图5 仪器布置
图6 气象站位置示意
3.1 气象站数据分析
3.1.1风向
根据小型气象站监测得到的风向数据，将其依据罗盘方位进行分类，并绘制16方位风玫瑰图。监测期间(即2021-11-17—2021-12-23)风速及主要风向如图7所示。由图7可知，项目现场主要受西南(WSW)方向的强风影响，此外，北方向与东方向均有一定风速影响。该风向为后续超高支撑体系的研究提供依据。
图7 监测期间现场风玫瑰图
3.1.2风速
根据小型气象站监测得到的数据，筛选出监测期间场地区域内风速，结果如图8所示。由图8可知，在监测期间不时有大风天气，风速最大可达10.8m/s。因此，在此期间研究超高支撑体系风致响应具有重要意义。
图8 监测期间现场风速
3.2 支撑体系风致响应分析
通过对倾角数据处理，可得到如图9，10所示y，z轴方向偏移量。由于在大堂超高区域北侧有该项目主体结构遮挡，南侧无建筑遮挡。因此，将仪器划分为北侧(1610，1616，1614，1612)、南侧(1611，1617，1615，1618)分别进行分析。由图9，10可知，支模架在y，z轴方向均发生了偏移，且在y轴方向上，南侧测点与北侧测点偏移方向不同，南侧呈现出向负方向偏移的趋势，而北侧则相反。在监测持续时间前期，数据有较多波动。分析其主要原因是上部施工荷载与风荷载的耦合作用。在这两者耦合作用下，监测前期数据在上部施工过程中呈现波动范围广的特点。此外，在监测后期，支模架偏移量随着时间变化而趋于稳定。分析其主要原因是上部施工已初步完成，支模架偏移量达到一定阈值，但风荷载的作用依然存在，因此，后期数据虽然趋于稳定但仍存在波动。
图9 支模架y轴方向各点偏移量
图10 支模架z轴方向各点偏移量
综上所述，南侧支模架最终在y轴负方向及z轴负方向上均有偏移，而北侧支模架主要在y轴正方向及z轴负方向上偏移。如图11所示，结合方位及整体坐标可知，南侧支模架整体向东北方向偏移，而北侧支模架整体向西北方向偏移。结合实测风速风向及现场施工布置可知，南侧支模架测点偏移方向与风向一致，而北侧支模架测点偏移方向与风向相反，分析其主要原因是北侧支模架靠近建筑内部，大部分风被阻挡，其主要受上部施工荷载的作用。
图11 支模架偏移趋势
基于某工程施工阶段超高支撑体系，通过对其盘扣式脚手架建立物联网实时监测系统，分析其风致响应，结果如下。
1)监测数据与施工阶段中工况进展及风环境改变相符，数据合理且有效。
2)施工荷载与风荷载耦合作用使支模架偏移量明显增大，施工场地可通过防风措施降低支模架失效风险。
3)将物联网应用于支撑体系中，大大提高支撑体系安全性分析效率，对降低工程风险有指导意义。
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