一种高支模形变监测预警方法与流程

本发明涉及一种高支模形变监测预警方法。

背景技术：

高大模板支撑系统在混凝土浇筑过程中和浇筑后一段时间内，由于受压可能发生一定的沉降和位移，如变化过大可能发生垮塌事故。为及时反映高支模支撑系统的变化情况，预防事故的发生，需要对支撑系统进行沉降和位移监测。目前，高支模监控方案采用全站仪和拉绳式位移传感器对支撑系统进行监测，由于支撑系统结构组件密集，规模较大，造成视线遮挡，传感器安装困难，所以，通常监测的点非常有限，且施工环境对监测结果影响较大。由于采用人工测量方式，采样频率很低，监测人员投入时间长及设备投入大。且不能完成全天候的监测任务，这给工地安全保障带来了很大的压力。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高支模形变监测预警方法。

解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种高支模形变监测预警方法，所应用的高支模的组成构件中含有多根竖向布置的立杆和多根水平布置的横杆，并且，所述立杆与所述横杆的连接位置称为该立杆的节点，其特征在于：

所述的高支模形变监测预警方法包括：选取至少一根所述立杆作为所述高支模的形变监测对象并用高支模形变监测预警设备对所述形变监测对象进行形变监测；

所述的高支模形变监测预警设备设有数据采集处理服务器并对应每一根所述作为形变监测对象的立杆设有一套形变测量构件；每一套所述形变测量构件均在其所对应的立杆的每一个所述节点位置上固定安装有一个管夹，每一个所述管夹均设有安装平面，安装在同一根所述立杆上的各个所述管夹的安装平面位于同一竖直平面；每一套所述形变测量构件均对应其所在立杆的两个相邻所述管夹设有三个万向节和两根杆件，对于所述两个相邻管夹及该两者对应的三个万向节和两根杆件来说：第一根所述杆件的上端通过第一个所述万向节与位于上方的所述管夹的安装平面连接，第二根所述杆件的下端通过第二个所述万向节与位于下方的所述管夹的安装平面连接，所述第一根杆件的下端与所述第二根杆件的上端通过第三个所述万向节相连，其中，每一套所述形变测量构件的各根杆件的长度相等，位于同一根所述立杆上的各个所述万向节在对应安装平面上的安装位置位于同一条竖向直线上，连接在同一个所述安装平面上的两个所述万向节紧靠在一起；每一套所述形变测量构件对应每一根所述杆件均设有一个倾角传感器，每一个所述倾角传感器均固定在其对应的杆件上，且每一个所述倾角传感器的轴线与其对应的杆件的轴向相平行；

所述数据采集处理服务器能够实时接收每一套所述形变测量构件的每一个所述倾角传感器的实时输出信号，并能够按以下步骤计算出所述高支模在每一根所述作为形变监测对象的立杆所在部位的形变状况：

步骤S1、以所述形变测量构件的位于最下方的万向节在初始时刻的中心位置为原点O、竖向方向为Z轴建立空间直角坐标系OXYZ，其中，原点O的空间坐标记为(X₀＝0，Y₀＝0,Z0＝0；

步骤S2、将所述步骤S1的形变测量构件中全部连接在两根所述杆件之间的万向节的中心位置、全部连接在同一个所述安装平面上的两个万向节之间的中心位置、位于最上方的所述万向节的中心位置作为形变测量点，将各个所述形变测量点由下至上依次进行编号并记为T_k，k为所述形变测量点的序号且1≤k≤n，n为所述形变测量构件的形变测量点数量，并将位于第k个所述形变测量点T_k与第k-1个所述形变测量点T_k-1之间的杆件编号为k，其中，k取值为1时，第k-1个即第0个所述形变测量点即为所述原点O；并且，将第n个所述形变测量点T_n在所述初始时刻的Z轴坐标记为Z′_n；

步骤S3、按以下公式计算相邻两个所述形变测量点之间的实时高度差、所述n个形变测量点的实时空间坐标：

X_k＝Δ_k·tanα_k

Y_k＝Δ_k·tanβ_k

Z_k＝Δ_k+Z_k-1

其中，α_k和β_k均为安装在所述编号为k的杆件上的倾角传感器的实时输出信号所转换的实时传感角度，分别表示所述编号为k的杆件在ZOX平面的投影与Z轴之间的实时夹角和所述编号为k的杆件在ZOY平面的投影与Z轴之间的实时夹角，L为所述杆件的长度，Δ_k为第k个所述形变测量点T_k与第k-1个所述形变测量点T_k-1之间的实时高度差，(X_k，Y_k，Z_k)为第k个所述形变测量点T_k的实时空间坐标，Z_k-1为第k-1个所述形变测量点T_k-1的实时Z轴坐标；k取值为1时，Z_k-1即Z₀＝0为所述原点O的Z轴坐标；

步骤S4、计算所述高支模在所述步骤S1的形变测量构件所在立杆部位的形变状况，包括：

所述高支模在所述步骤S1的形变测量构件所在立杆部位的实时沉降SE＝Z_n-Z′_n，其中，Z_n为第n个所述形变测量点T_n的实时Z轴坐标；

所述高支模在所述步骤S1的形变测量构件所在立杆部位的实时层间横向位移，其中，将所述立杆位于其相邻两个所述节点之间的空间称为层，并对所述立杆的各层由下至上依次进行编号，第i层的实时层间横向位移i为正整数且

为了减小由倾角传感器的重量对杆件产生的力矩作用，作为本发明的优选实施方式：所述固定在所述第一根杆件上倾角传感器位于该第一根杆件的上部位置上，所述固定在所述第二根杆件上倾角传感器位于该第二根杆件的下部位置上。

为了更清楚的获悉高支模的形变状况，作为本发明的优选实施方式：所述步骤S4中，所述高支模在所述步骤S1的形变测量构件所在立杆部位的形变状况，还包括：

所述高支模在所述步骤S1的形变测量构件所在立杆部位的实时层间倾角，其中，所述实时层间倾角为空间角，所述第i层的实时层间倾角为(γ_i，ε_i，θ_i)，按以下公式计算得到：

a＝X_k＝i+1-X_k＝i-1，b＝Y_k＝i+1-Y_k＝i-1，c＝Y_k＝i+1-Y_k＝i-1

其中，(a，b，c)为第k＝i-1个形变测量点T_k＝i-1到第k＝i+1个形变测量点T_k＝i+1的空间向量，γ_i、ε_i和θ_i分别表示所述空间向量(a，b，c)与X轴、Y轴和Z轴的夹角。

作为本发明的优选实施方式：所述的高支模形变监测预警设备还设有报警装置；

所述数据采集处理服务器还能够按以下步骤对所述高支模在每一根所述作为形变监测对象的立杆所在部位的形变状况进行预警：

步骤S5、设置沉降静态预警阈值SE′和沉降静态报警阈值SE″，以及所述立杆的每一层的横向位移静态预警阈值R′_i和横向位移静态报警阈值R″_i；

步骤S6、从所述初始时刻开始，在多个监测时刻按照所述步骤S1至步骤S4计算所述实时沉降SE和所述立杆的每一层的实时层间横向位移R_i；

步骤S7、在任意一个所述监测时刻，如果满足SE′≤SE＜SE”或者所述立杆的任意一层满足R′_i≤R_i≤R”_i，则驱动所述报警装置发出预警信号，如果满足SE≥SE”或者所述立杆的任意一层满足R_i≥R”_i，则驱动所述报警装置发出报警信号；

步骤S8、从第四个所述监测时刻开始的任意一个所述监测时刻，将该监测时刻的前三个监测时刻的实时沉降SE平均值的1.35倍和1.5倍分别设置为所述高支模在该监测时刻的沉降动态预警阈值和沉降动态报警阈值并将所述立杆的每一层在该监测时刻的前三个监测时刻的实时层间横向位移R_i平均值的1.35倍和1.5倍分别设置为所述立杆的每一层在该监测时刻的横向位移动态预警阈值和横向位移动态报警阈值如果满足或者所述立杆的任意一层满足则驱动所述报警装置发出预警信号，如果满足或者所述立杆的任意一层满足则驱动所述报警装置发出报警信号。

作为本发明的优选实施方式：所述的报警装置包括能够发出红黄两色灯光的LED灯带；所述LED灯带将发出黄色灯光作为所述预警信号、发出红色灯光作为所述报警信号，至少一根所述杆件上安装有所述LED灯带。

作为本发明的优选实施方式：所述的报警装置还包括辅助警示灯；所述辅助警示灯为带有绿灯和红灯的蜂鸣报警器，所述辅助警示灯将所述红灯闪烁且所述蜂鸣报警器发声作为所述预警信号、将所述绿灯常亮作为正常工作信号，所述数据采集处理服务器在未控制所述报警装置发出预警信号和报警信号时，控制所述辅助警示灯发出正常工作信号。

作为本发明的优选实施方式：所述的数据采集处理服务器设有处理器、数据采集接口、开关控制模块和用于为数据采集处理服务器供电的电源管理模块，所述处理器通过所述数据采集接口与所述各个倾角传感器的输出端电气连接，所述处理器通过所述数据采集接口接收所述各个倾角传感器采集到的传感信号；所述处理器通过所述开关控制模块分别与所述LED灯带和辅助警示灯电气连接，所述处理器能够通过所述开关控制模块分别驱动每一根所述LED灯带以及驱动所述辅助警示灯。

作为本发明的优选实施方式：所述的数据采集处理服务器还设有数据传输接口，所述处理器能够通过所述数据传输接口连接外部WiFi传输模块和外部无线数传电台模块，所述处理器能够通过所述外部WiFi传输模块或外部无线数传电台模块与远程终端进行通信。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，参见图1和图3，本发明在被选取作为形变监测对象的立杆1的每一层即其相邻两个节点1a之间均安装有由两个管夹31、三个万向节32和两根杆件33连接组成的二元体结构，且该二元体结构实现了X轴方向移动、Y轴方向移动和Z轴方向移动的空间三个自由度上的无约束，使得高支模在立杆1部位的每一层的形变均能够传递到对应的二元体结构上，令该对应二元体结构的两根杆件33能够产生相应的位置移动而形成相应的空间角度变化，而利用固定安装在该两根杆件33上的倾角传感器34即能够获得对应该空间角度变化的实时传感角度α_k和β_k，最后用数据采集处理服务器对安装在作为形变监测对象的立杆1上的所有倾角传感器34采集到的实时传感角度α_k和β_k进行计算处理，就可以得到表征高支模形变状态的实时沉降SE和每一层实时层间横向位移R_i；并且，由于二元体结构的特性，本发明所采用的形变测量构件3不会对其所安装的立杆1产生结构影响；因此，本发明能够在不影响高支模结构的前提下实现对高支模形变的自动化监测。

第二，本发明能够便于形变测量构件的安装，避免现有技术中由于高支模结构组件密集、规模较大而造成容易遮挡视线、传感器安装困难的问题，因此，本发明相较于现有技术可以选取更多的立杆作为高支模形变监测对象，使得对高支模的形变监测更为精确、细致，更适应施工环境、不受视野影响。

第三，本发明还可以监测高支模在立杆部位的实时层间倾角，以更清楚的获悉高支模的形变状况。

第四，本发明还可以通过判断实时沉降和实时层间横向位移是否满足按设定的条件，并在符合设定条件时通过报警装置发出预警信号和报警信号，以提醒工人停止浇筑，撤离危险作业面，因此，本发明实现了自动化预警、报警功能，能够向工人提示高支模的安全等级，且能够独立运行、排除了人为监测的误差，有助于提升施工监测水平及保障施工人员安全。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明中形变测量构件的结构示意图；

图2为图1的A部放大示意图；

图3为本发明中形变测量构件在高支模上的安装结构示意图；

图4为本发明中数据采集处理服务器的电路原理框图；

图5为本发明中编号为k的杆件33上的倾角传感器所对应实时传感角度α_k和β_k的示意图；

图6为本发明中第i层的实时层间倾角的示意图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明的高支模形变监测预警方法，所应用的高支模的组成构件中含有多根竖向布置的立杆1和多根水平布置的横杆2，并且，立杆1与横杆2的连接位置称为该立杆1的节点1a。

本发明的高支模形变监测预警方法包括：根据高支模的设计图纸，选取至少一根立杆1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所述形变监测对象进行形变监测。

上述高支模形变监测预警设备设有对应每一根作为形变监测对象的立杆1设有一套形变测量构件3；每一套形变测量构件3均在其所对应的立杆1的每一个节点1a位置上固定安装有一个管夹31，每一个管夹31均设有安装平面31a，安装在同一根立杆1上的各个管夹31的安装平面31a位于同一竖直平面；每一套形变测量构件3均对应其所在立杆1的两个相邻管夹31设有三个万向节32和两根杆件33，对于两个相邻管夹31及该两者对应的三个万向节32和两根杆件33来说：第一根杆件33的上端通过第一个万向节32与位于上方的管夹31的安装平面31a连接，第二根杆件33的下端通过第二个万向节32与位于下方的管夹31的安装平面31a连接，第一根杆件33的下端与第二根杆件33的上端通过第三个万向节32相连，其中，每一套形变测量构件3的各根杆件33的长度相等，位于同一根立杆1上的各个万向节32在对应安装平面31a上的安装位置位于同一条竖向直线上，位于最上方和最下方的安装平面31a上仅连接有一个万向节32，其余的安装平面31a上均连接有两个万向节32，连接在同一个安装平面31a上的两个万向节32紧靠在一起，杆件33的长度远大于万向节32的尺寸，使得下述计算高支模形变状况的步骤中可以将万向节32的尺寸忽略不计；每一套形变测量构件3对应每一根杆件33均设有一个倾角传感器34，每一个倾角传感器34均固定在其对应的杆件33上，且每一个倾角传感器34的轴线与其对应的杆件33的轴向相平行。

其中，上述管夹31优选采用锻铸铁制作的扣件，其材质符合现行国家标准《钢管脚手架扣件》GB 15831的规定、适用于外径为48mm钢管脚手架。为了减小由倾角传感器的重量对杆件产生的力矩作用，上述固定在第一根杆件33上倾角传感器34优选位于该第一根杆件33的上部位置上，固定在第二根杆件33上倾角传感器34优选位于该第二根杆件33的下部位置上。

如图4所示，上述高支模形变监测预警设备还设有数据采集处理服务器和报警装置。

上述报警装置包括LED灯带35和辅助警示灯；LED灯带35能够发出红黄两色灯光，LED灯带35将发出黄色灯光作为预警信号、发出红色灯光作为报警信号，至少一根杆件33上安装有LED灯带35。上述辅助警示灯为带有绿灯和红灯的蜂鸣报警器，辅助警示灯将红灯闪烁且蜂鸣报警器发声作为预警信号、将绿灯常亮作为正常工作信号，数据采集处理服务器在未控制报警装置发出预警信号和报警信号时，控制辅助警示灯发出正常工作信号；辅助警示灯通常放置于浇筑工作区域顶板上。从而，在现场，通用数据采集服务器能够独立判断安全警戒级别，通过控制灯光警报信号，对现场施工实施安全警戒，现场安全员能通网络核实实时监视测量数据，便于现在及时监控督导施工进程。

上述数据采集处理服务器设有处理器、数据采集接口、开关控制模块、数据传输接口和用于为数据采集处理服务器供电的电源管理模块，处理器通过数据采集接口与各个倾角传感器34的输出端电气连接，处理器通过数据采集接口接收各个倾角传感器34采集到的传感信号；处理器通过开关控制模块分别与LED灯带35和辅助警示灯电气连接，处理器能够通过开关控制模块分别驱动每一根LED灯带35以及驱动辅助警示灯。处理器能够通过数据传输接口连接外部WiFi传输模块和外部无线数传电台模块，处理器能够通过外部WiFi传输模块或外部无线数传电台模块与远程终端进行通信，从而，通过专项开发的APP软件，实现手机或者平板电脑查阅监测数据。

其中，上述高支模形变监测预警设备中的信号线及电源线可优选采用快速接头对接，以提高设备组装的便利性；电源管理模块可采用电池，保证整个监测工作周期内不间断工作。

上述数据采集处理服务器能够实时接收每一套形变测量构件3的每一个倾角传感器34的实时输出信号，并能够按以下步骤计算出高支模在每一根作为形变监测对象的立杆1所在部位的形变状况：

步骤S1、以形变测量构件3的位于最下方的万向节32在初始时刻的中心位置为原点O、竖向方向为Z轴建立空间直角坐标系OXYZ，其中，原点O的空间坐标记为(X₀＝0，Y₀＝0,Z0＝0，初始时刻一般选取为高支模完成搭建的时刻，此时，高支模还没有发生形变；

步骤S2、将步骤S1的形变测量构件3中全部连接在两根杆件33之间的万向节32的中心位置、全部连接在同一个安装平面31a上的两个万向节32之间的中心位置、位于最上方的万向节32的中心位置作为形变测量点，将各个形变测量点由下至上依次进行编号并记为T_k，k为形变测量点的序号且1≤k≤n，n为形变测量构件3的形变测量点数量，并将位于第k个形变测量点T_k与第k-1个形变测量点T_k-1之间的杆件33编号为k，其中，k取值为1时，第k-1个即第0个形变测量点即为原点O；并且，将第n个形变测量点T_n在初始时刻的Z轴坐标记为Z′_n；

步骤S3、按以下公式计算相邻两个形变测量点之间的实时高度差、n个形变测量点的实时空间坐标：

X_k＝Δ_k·tanα_k

Y_k＝Δ_k·tanβ_k

Z_k＝Δ_k+Z_k-1

其中，参见图5，α_k和β_k均为安装在编号为k的杆件33上的倾角传感器34的实时输出信号所转换的实时传感角度，分别表示编号为k的杆件33在ZOX平面的投影与Z轴之间的实时夹角和编号为k的杆件33在ZOY平面的投影与Z轴之间的实时夹角，L为杆件33的长度，Δ_k为第k个形变测量点T_k与第k-1个形变测量点T_k-1之间的实时高度差，(X_k，Y_k，Z_k)为第k个形变测量点T_k的实时空间坐标，Z_k-1为第k-1个形变测量点T_k-1的实时Z轴坐标；k取值为1时，Z_k-1即Z₀＝0为原点O的Z轴坐标；

步骤S4、计算高支模在步骤S1的形变测量构件3所在立杆1部位的形变状况，包括：

高支模在步骤S1的形变测量构件3所在立杆1部位的实时沉降SE＝Z_n-Z′_n，其中，Z_n为第n个形变测量点T_n的实时Z轴坐标；

高支模在步骤S1的形变测量构件3所在立杆1部位的实时层间横向位移，其中，将立杆1位于其相邻两个节点1a之间的空间称为层，并对立杆1的各层由下至上依次进行编号，第i层的实时层间横向位移i为正整数且

高支模在步骤S1的形变测量构件3所在立杆1部位的实时层间倾角，其中，参见图6，实时层间倾角为空间角，第i层的实时层间倾角为(γ_i，ε_i，θ_i)，按以下公式计算得到：

a＝X_k＝i+1-X_k＝i-1，b＝Y_k＝i+1-Y_k＝i-1，c＝Y_k＝i+1-Y_k＝i-1

其中，(a，b，c)为第k＝i-1个形变测量点T_k＝i-1到第k＝i+1个形变测量点T_k＝i+1的空间向量，γ_i、ε_i和θ_i分别表示空间向量(a，b，c)与X轴、Y轴和Z轴的夹角。

上述数据采集处理服务器还能够按以下步骤对高支模在每一根作为形变监测对象的立杆1所在部位的形变状况进行预警：

步骤S5、根据建筑工地实际的高支模设计要求，设置沉降静态预警阈值SE′和沉降静态报警阈值SE”，以及立杆1的每一层的横向位移静态预警阈值R′_i和横向位移静态报警阈值R”_i；

步骤S6、从初始时刻开始，在多个监测时刻按照步骤S1至步骤S4计算实时沉降SE和立杆1的每一层的实时层间横向位移R_i；

步骤S7、在任意一个监测时刻，如果满足SE′≤SE＜SE”或者立杆1的任意一层满足R′_i≤R_i＜R”_i，则驱动报警装置发出预警信号，如果满足SE≥SE”或者立杆1的任意一层满足R_i≥R”_i，则驱动报警装置发出报警信号，以提醒工人停止浇筑，撤离危险作业面；

步骤S8、考虑到混凝土浇筑流程和规范，因考虑混凝土浇筑过程中支撑结构形变速率对结构的影响，因此，从第四个监测时刻开始的任意一个监测时刻，将该监测时刻的前三个监测时刻的实时沉降SE平均值的1.35倍和1.5倍分别设置为高支模在该监测时刻的沉降动态预警阈值和沉降动态报警阈值并将立杆1的每一层在该监测时刻的前三个监测时刻的实时层间横向位移R_i平均值的1.35倍和1.5倍分别设置为立杆1的每一层在该监测时刻的横向位移动态预警阈值和横向位移动态报警阈值如果满足或者立杆1的任意一层满足则驱动报警装置发出预警信号，如果满足或者立杆1的任意一层满足则驱动报警装置发出报警信号，以提醒工人停止浇筑，撤离危险作业面。

本发明的高支模形变监测预警方法的工作原理为：

参见图1和图3，由于本发明在被选取作为形变监测对象的立杆1的每一层即其相邻两个节点1a之间均安装有由两个管夹31、三个万向节32和两根杆件33连接组成的二元体结构，且该二元体结构实现了X轴方向移动、Y轴方向移动和Z轴方向移动的空间三个自由度上的无约束，使得高支模在立杆1部位的每一层的形变均能够传递到对应的二元体结构上，令该对应二元体结构的两根杆件33能够产生相应的位置移动而形成相应的空间角度变化，而利用固定安装在该两根杆件33上的倾角传感器34即能够获得对应该空间角度变化的实时传感角度α_k和β_k，最后用数据采集处理服务器对安装在作为形变监测对象的立杆1上的所有倾角传感器34采集到的实时传感角度α_k和β_k进行计算处理，就可以得到表征高支模形变状态的实时沉降SE和每一层实时层间横向位移R_i；并且，由于二元体结构的特性，本发明所采用的形变测量构件3不会对其所安装的立杆1产生结构影响。

本发明的高支模形变监测预警方法符合《工程测量规范》(GB50026-2007)、国家标准和《建筑变形测量规范》(JGJ8-2007)和国家行业标准，以及高支模的实际环境和工作需求。并且，当对高支模的监测项目实施完毕后，可以将形变测量构件3从立杆1上卸下，收集完毕信号线，整套设备可回收使用。

本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。