高層建筑腳手架穩(wěn)定性監(jiān)測研究綜述

李世敏 楊玲 鹿純玉

摘 要：由于設(shè)計(jì)或施工以及外力作用下，腳手架坍塌的事故屢見不鮮，對腳手架工程的穩(wěn)定性監(jiān)測顯的尤為重要。本文在系統(tǒng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，分析了腳手架工程失穩(wěn)的內(nèi)力和外力因素，分析和總結(jié)了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于腳手架工程穩(wěn)定性監(jiān)測的主要方法，熱點(diǎn)問題和新方法，同時(shí)對今后的研究和設(shè)計(jì)以及施工提出了相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：腳手架穩(wěn)定性健康監(jiān)測結(jié)構(gòu)振動

1引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，現(xiàn)代大型結(jié)構(gòu)如高層建筑、橋梁，電視塔等不斷出現(xiàn)并迅速發(fā)展，對腳手架工程的設(shè)計(jì)和施工的要求也越來越高。近年來因腳手架設(shè)計(jì)或施工的原因，以及外力因素如臺風(fēng)，暴雨等的作用下，腳手架失穩(wěn)坍塌的事故屢見不鮮，并造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，對腳手架工程的穩(wěn)定性監(jiān)測顯得尤為重要。腳手架是進(jìn)行建筑工程施工必不可少的裝備和手段，腳手架是為高處作業(yè)人員提供進(jìn)行操作的必備條件。當(dāng)腳手架荷載逐漸增加到某一數(shù)值時(shí)，結(jié)構(gòu)除了按原有變形形式可能維持平衡之外，還可能以其他變形形式維持分支平衡，出現(xiàn)平衡的分支是此種結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的標(biāo)志。結(jié)構(gòu)在失穩(wěn)后呈現(xiàn)彎曲、褶皺、翹曲等喪失原狀而屈曲。把腳手架穩(wěn)定性分為彈性穩(wěn)定、彈塑性穩(wěn)定與塑性穩(wěn)定，任何一種失穩(wěn)現(xiàn)象都可能使結(jié)構(gòu)不能有效地工作。穩(wěn)定問題分為動力穩(wěn)定與靜力穩(wěn)定，上述穩(wěn)定性概念是指靜力穩(wěn)定。在負(fù)阻尼情況下，體系的位能隨時(shí)間而增大，則體系是動力不穩(wěn)定的。

靜力問題引起的結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，對于結(jié)構(gòu)動力穩(wěn)定性的監(jiān)測在理論上發(fā)展了很多方法[1]。由于腳手架是臨時(shí)性工程，腳手架工程穩(wěn)定性的監(jiān)測則被工程人員所忽略，但從當(dāng)前事故發(fā)展情況來看，對腳手架穩(wěn)定性的監(jiān)測不容忽視。本文在系統(tǒng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，分析了腳手架工程失穩(wěn)的內(nèi)力和外力因素，分析和總結(jié)了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在腳手架工程穩(wěn)定性監(jiān)測上的應(yīng)用研究中的主要方法，熱點(diǎn)問題和新方法，以及面臨的主要問題和挑戰(zhàn)，同時(shí)對下一步的研究和設(shè)計(jì)施工工作提出了相關(guān)建議，希望能對今后的設(shè)計(jì)和監(jiān)測工程人員有所啟發(fā)。

2 影響腳手架穩(wěn)定性因素

結(jié)構(gòu)理論對穩(wěn)定問題的研究是在理想化的數(shù)學(xué)模型上進(jìn)行的，而實(shí)際結(jié)構(gòu)卻并不象數(shù)學(xué)模型那樣理想，因此實(shí)用上需要考慮各種因素的影響。以受壓直桿為例，荷載不可能絕對對準(zhǔn)截面中心；桿件本身總會有某種初始彎曲，即所謂“幾何缺陷”；材料本身不可避免地具有某種“組織缺陷”等。這樣，除了彈性模量和桿件的幾何尺寸之外，所有上述各項(xiàng)因素也都不同程度地影響著壓桿的承載力，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)這種影響常常應(yīng)予以考慮。除了材料影響腳手架穩(wěn)定性外，還有如下重要因素。

2.1內(nèi)力因素

腳手架任何一個(gè)桿件和節(jié)點(diǎn)都會對腳手架整體穩(wěn)定性與承載能力產(chǎn)生影響。步距對腳手架的臨界荷載關(guān)系密切。腳手架的臨界荷載與立桿的長度的平方成反比，它隨腳手架的步距的加大而減少；連墻件的設(shè)置同樣至關(guān)重要。如果隨意擴(kuò)大連墻件的豎向間距，就會導(dǎo)致腳手架臨界荷載大大降低，增大了腳手架的立桿的計(jì)算長度。由于腳手架的縱向剛度大于腳手架的橫向剛度，如果腳手架發(fā)生整體穩(wěn)定，則腳手架呈現(xiàn)出外力桿與橫向桿組成的橫向框架沿垂直與主體結(jié)構(gòu)的大波彎曲現(xiàn)象。整體失穩(wěn)破壞始于連接墻件、橫向剛度或彎曲較大的部位，如果連接墻件豎向間距較大，則彎曲波長較長，腳手架失穩(wěn)就越嚴(yán)重。連接墻件的存在是對立桿起到一個(gè)中間支座的作用；掃地桿的設(shè)置同樣對腳手架穩(wěn)定性起到關(guān)鍵性作用。掃地桿在腳手架中主要起到對立桿的約束作用，起到降低立桿計(jì)算長度的作用。腳手架設(shè)計(jì)中將一個(gè)腳手架段計(jì)算簡化為按單軸心受壓桿來計(jì)算，而公式中的h指的是掃地桿到上步縱向水平桿的步距，而規(guī)定中確定的腳手架首步架高為1.5m指的就是掃地桿的步距。腳手架立桿長度計(jì)算公式為[2]

(1)

其中為立桿計(jì)算長度系數(shù)，為立桿計(jì)算長度參照系數(shù)。如果實(shí)際施工中忽視對掃地桿進(jìn)行控制、檢查，會造成的加大，加大了腳手架的長度計(jì)算，從而降低腳手架的承載力，導(dǎo)致腳手架穩(wěn)定性降低；立桿橫距對腳手架穩(wěn)定性的影響。加大立桿橫距，在其他條件不變的情況下，會加大立桿的長度計(jì)算系數(shù)，導(dǎo)致腳手架臨界承載力下降；剪力撐對腳手架穩(wěn)定性影響因素。剪力撐的存在將腳手架立桿連接在一起，提高了腳手架整體的空間剛度，也提高腳手架的整體穩(wěn)定性；扣件的擰緊程度的影響?？奂臄Q緊程度越高，則腳手架的壓桿類型可近似的向兩端固定接近，可大大降低腳手架的立桿計(jì)算長度，提高腳手架的承載能力。

2.2外力因素

風(fēng)荷載是空氣流動形成的風(fēng)在遭遇建筑物時(shí)，在建筑物表面產(chǎn)生的壓力或吸力。風(fēng)荷載與風(fēng)的性質(zhì)、建筑物所處的地貌及周圍環(huán)境有關(guān)，同時(shí)也與建筑物本身的體型、高度等有關(guān)。風(fēng)荷載是導(dǎo)致腳手架失穩(wěn)的最主要的外力因素，工程中常常發(fā)生因強(qiáng)風(fēng)作用引起的外力超過腳手架極限承載力而導(dǎo)致垮塌造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損傷。再者是風(fēng)振作用，風(fēng)的脈動部分對腳手架結(jié)構(gòu)所引起的動態(tài)作用。一般結(jié)構(gòu)對風(fēng)力的動態(tài)作用并不敏感，可僅考慮靜態(tài)作用。但對于高聳結(jié)構(gòu)（如塔架、煙囪、水塔）和高層建筑的腳手架而言，除考慮靜態(tài)作用外，還需考慮動態(tài)作用。動態(tài)作用與腳手架自振周期、結(jié)構(gòu)振型，結(jié)構(gòu)阻尼和結(jié)構(gòu)高度等因素有關(guān)，可將脈動風(fēng)壓假定為各態(tài)歷經(jīng)隨機(jī)過程按隨機(jī)振動理論的基本原理導(dǎo)出。為方便起見，動態(tài)作用常用等效靜態(tài)放大系數(shù)，即風(fēng)振系數(shù)的方式與靜態(tài)作用一并考慮。脈動風(fēng)作用機(jī)理是有節(jié)奏的激勵(lì)腳手架，使得腳手架產(chǎn)生共振使得腳手架產(chǎn)生較大的橫向振動位移，導(dǎo)致腳手架失穩(wěn)垮塌。中國的地理位置和氣候條件造成的大風(fēng)為：夏季東南沿海多臺風(fēng)，內(nèi)陸多雷暴及雹線大風(fēng)；冬季北部地區(qū)多寒潮大風(fēng)。其中沿海地區(qū)的臺風(fēng)往往是設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)的主要控制荷載。臺風(fēng)造成的風(fēng)災(zāi)事故較多，影響范圍也較大。雷暴大風(fēng)可能引起小范圍內(nèi)的風(fēng)災(zāi)事故。

3 腳手架應(yīng)力、位移及幾何變形監(jiān)測

此類問題為靜力或者平均風(fēng)荷載引起的腳手架的變形。腳手架的幾何變形識別內(nèi)力狀態(tài)的重要參數(shù)，而立桿的線形是反映當(dāng)腳手架力狀態(tài)的最要指標(biāo)，因此立桿的應(yīng)力應(yīng)變及幾何變形是監(jiān)測的只要內(nèi)容。靜力問題引起的結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，應(yīng)用成熟的是用靜力應(yīng)變片測量最容易發(fā)生較大變形位置的應(yīng)變換算成應(yīng)力來達(dá)到監(jiān)測的效果?？臻g位置變化監(jiān)測點(diǎn)可根據(jù)腳手架結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析的結(jié)果選擇，常選擇結(jié)構(gòu)變形較大和變形的拐點(diǎn)監(jiān)測，傳感器可采用GPS、壓力變送器、位移計(jì)及全站儀進(jìn)行變形監(jiān)控。賀志勇等[3]利用測量技術(shù)和高精度全站儀對其施工進(jìn)行了全程日照變形監(jiān)測，對超高層建筑施工安全、施工驗(yàn)收和相應(yīng)規(guī)范的改進(jìn)具有重要的參考指導(dǎo)作用。

4 基于振動的腳手架穩(wěn)定性監(jiān)測方法

基于振動測試的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法是目前結(jié)構(gòu)損傷診斷領(lǐng)域研究應(yīng)用最廣泛的方法之一，它具有不影響結(jié)構(gòu)正常工作，可實(shí)現(xiàn)長期或在線監(jiān)測，操作簡單方便等特點(diǎn)。腳手架動態(tài)穩(wěn)定性的監(jiān)測不容忽視。

4.1基于頻域方法

固有頻率是結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的函數(shù)，固有頻率對結(jié)構(gòu)的損傷并不敏感，因此不適用于腳手架的穩(wěn)定性監(jiān)測和評估?；谡裥偷膭恿χ讣y方法研究較多，結(jié)構(gòu)損傷引起振型的變化，并且振型中包含位置信息。如Pandey[4]提出的曲率模態(tài)法、模態(tài)置信因子（MAC）和坐標(biāo)模態(tài)置信因子(COMAC)[5]、協(xié)調(diào)模態(tài)置信因子(ECOMAC)等[6]、模態(tài)應(yīng)變能法、柔度矩陣法以及應(yīng)變模態(tài)發(fā)等?；陬l域響應(yīng)函數(shù)的方法也得到較大的發(fā)展。這些方法在橋梁結(jié)構(gòu)中得到較成熟的應(yīng)用，也適用于腳手架工程，通過傳感器測量得到的動態(tài)信號來識別出腳手架的模態(tài)參數(shù)，計(jì)算出上述因子來監(jiān)測和評估腳手架的穩(wěn)定性。

4.2基于時(shí)域方法

對于時(shí)間響應(yīng)的分析和特征提取，主要有：基于時(shí)間序列的分析法和奇異值分解法。

基于時(shí)間序列模型的方法：通常結(jié)構(gòu)模型復(fù)雜，并且輸出輸入信號容易受噪聲污染，使得模態(tài)分析不精確甚至不可行。結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)下的響應(yīng)是隨機(jī)的對這些隨機(jī)數(shù)據(jù)，可建立一種如ARMA、AR、MA的時(shí)間序列模型，不需要測得輸入信號[7]。從數(shù)學(xué)模型中提取包含有結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)信息的模型系數(shù)，能夠避免復(fù)雜有限元的建模和噪聲的影響[8]?；跁r(shí)間序列模型的方法原理簡單，實(shí)施方便，但是它需要滿足兩個(gè)基本條件：線性性和靜態(tài)性，對于稍微復(fù)雜一點(diǎn)的系統(tǒng)或許就不適用了。

基于奇異值分解方法：奇異值分解是一種常見的降維方法，它是對整個(gè)響應(yīng)序列數(shù)據(jù)的整體表示以及特征提取和變換。作為線性變換，奇異值分解在數(shù)據(jù)重構(gòu)上誤差最小，這樣它在一些情況下能夠取得很好的性能[9]，根據(jù)損傷前后奇異值的變化進(jìn)行識別，能夠在環(huán)境激勵(lì)和不同工況下應(yīng)用[10]。

4.3基于時(shí)頻域方法

對結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和穩(wěn)定性評估，往往先得到結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)信息，接下來的工作是如何對這些具體信息進(jìn)行分析處理。傅里葉變換只能反映整個(gè)信號在全部時(shí)間內(nèi)的整體頻域特征，不能提供任何局部時(shí)間段上的頻率信息。小波變換是一種具有“變焦”特性的多分辨率分析方法，局部化和多尺度分析是精華所在，可以用不同的分辨率來觀察信號，在時(shí)頻兩域都具有表征信號局部特征的能力。小波變換作為一種新的時(shí)頻分析方法，在損傷檢測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[11,12]。小波在處理結(jié)構(gòu)測試數(shù)據(jù)時(shí)具有極大的優(yōu)勢，可以預(yù)見其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測分析中有著廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用價(jià)值。

5監(jiān)測方法的熱點(diǎn)研究問題

5.1傳感器優(yōu)化布置

在結(jié)構(gòu)的監(jiān)測和檢測中，我們不可能取得結(jié)構(gòu)完整的模態(tài)數(shù)據(jù)，而只能相對于有限元模型的部分自由度的模態(tài)數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)這種差距的通常做法是擴(kuò)展實(shí)測模態(tài)數(shù)據(jù)或縮減模型自由度。另種方法是用測試得到的不完全數(shù)據(jù)直接進(jìn)行健康監(jiān)測，則傳感器的位置和數(shù)量就對健康監(jiān)測的效果起到重要的作用。一般來說，傳感器優(yōu)化布置需要滿足以下幾點(diǎn)：(l)傳感器系統(tǒng)的設(shè)備耐久性強(qiáng)、維護(hù)方便、數(shù)據(jù)通信有效，且費(fèi)用最小；(2)在復(fù)雜的自然環(huán)境下，用盡量少的傳感器獲取最有效的信息；(3)傳感器的布置應(yīng)不影響結(jié)構(gòu)正常使用功能的前提下，最有利于信息的直接觀測和推斷；(4)可觀測的模態(tài)參數(shù)對結(jié)構(gòu)的局部損傷和性能退化敏感性強(qiáng)。腳手架結(jié)構(gòu)比橋梁結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，傳感器的數(shù)量和安裝位置需要優(yōu)化配置，減小不必要的投入。

5.2非線性方法

基于非線性動力學(xué)方法為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供另一種全新的方法，非線性信號處理的基本方法是把一維的系統(tǒng)響應(yīng)擴(kuò)展到多維相空間來進(jìn)行研究。Nichols，Tod等運(yùn)用混沌序列激勵(lì)結(jié)構(gòu)的方法來進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，證明了基于混沌的非線性方法在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域有具有發(fā)展?jié)摿13]。文獻(xiàn)[14]應(yīng)用響應(yīng)信號相空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化提取了一系列新類型的結(jié)構(gòu)健康判斷因子，成功評估結(jié)構(gòu)的健康狀況。這些因子的提取不需要建立初始系統(tǒng)模型，而是直接以系統(tǒng)動力響應(yīng)相空間建立結(jié)構(gòu)“健康”狀態(tài)的參考模型。然而，上述基于動力響應(yīng)的非線性健康監(jiān)測的研究都需要混沌時(shí)間系列的外部激勵(lì)，在實(shí)際工程中，特別是大型土木結(jié)構(gòu)，應(yīng)用混沌序列來激勵(lì)很難得以實(shí)現(xiàn)，因此在腳手架結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)用中具有一定困難。Nichols[15]應(yīng)用環(huán)境激勵(lì)的響應(yīng)對海洋平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測，應(yīng)用響應(yīng)相空間檢測出損傷的存在并量化了結(jié)構(gòu)剛度的降低。非線性的方法無疑為腳手架結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和穩(wěn)定性評估提供了新的方法。

6展望

1.監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與傳輸和信息化技術(shù)研究：腳手架體積龐大，傳感器離散分布，對傳感器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有許多特殊性能的要求，其不僅僅要滿足耐久性、精度要求，還要考慮其經(jīng)濟(jì)性和操作簡易性。所以對光纖等具有顯著特性的傳感器及其分布方式的研究具有很大的是使用價(jià)值。傳統(tǒng)的有限數(shù)據(jù)傳輸方式使監(jiān)測系統(tǒng)的假設(shè)費(fèi)用和維護(hù)成本高昂、系統(tǒng)的可靠性降低，因此迫切需要發(fā)展先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)或無限傳輸技術(shù)。

2.監(jiān)測數(shù)據(jù)處理技術(shù)及結(jié)果可視化的研究：現(xiàn)有在線監(jiān)測的大型結(jié)構(gòu)越來越多，隨著時(shí)間的推移，必將形成海量數(shù)據(jù)，如何這些數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、判斷和處理是個(gè)重大而有迫切需要解決的課題，同時(shí)，如何讓那些枯燥的數(shù)據(jù)通過可視化顯示，讓一般人都能理解結(jié)構(gòu)的健康狀況是將來結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測讓社會普遍接受的關(guān)鍵一步，具有很大的社會意義。

3.從腳手架結(jié)構(gòu)內(nèi)部確保其穩(wěn)定性：明確確定連接墻件的設(shè)置，在施工中對連接墻件的設(shè)置進(jìn)行嚴(yán)格控制；增加橫向支撐，提高腳手架的橫向剛度來提高腳手架的穩(wěn)定承載能力。

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作者簡介：

李世敏，男，1981，江蘇徐州人，畢業(yè)于石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院，徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司夾河煤礦助理工程師。

楊玲，女，1984, 江蘇徐州人，畢業(yè)于石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院。