高层建筑脚手架稳定性监测研究综述

李世敏 杨玲 鹿纯玉

摘 要：由于设计或施工以及外力作用下，脚手架坍塌的事故屡见不鲜，对脚手架工程的稳定性监测显的尤为重要。本文在系统调研的基础上，分析了脚手架工程失稳的内力和外力因素，分析和总结了结构健康监测技术应用于脚手架工程稳定性监测的主要方法，热点问题和新方法，同时对今后的研究和设计以及施工提出了相关建议。

关键词：脚手架稳定性健康监测结构振动

1引言

随着我国经济和科技的发展，现代大型结构如高层建筑、桥梁，电视塔等不断出现并迅速发展，对脚手架工程的设计和施工的要求也越来越高。近年来因脚手架设计或施工的原因，以及外力因素如台风，暴雨等的作用下，脚手架失稳坍塌的事故屡见不鲜，并造成重大人员伤亡和经济损失。因此，对脚手架工程的稳定性监测显得尤为重要。脚手架是进行建筑工程施工必不可少的装备和手段，脚手架是为高处作业人员提供进行操作的必备条件。当脚手架荷载逐渐增加到某一数值时，结构除了按原有变形形式可能维持平衡之外，还可能以其他变形形式维持分支平衡，出现平衡的分支是此种结构失稳的标志。结构在失稳后呈现弯曲、褶皱、翘曲等丧失原状而屈曲。把脚手架稳定性分为弹性稳定、弹塑性稳定与塑性稳定，任何一种失稳现象都可能使结构不能有效地工作。稳定问题分为动力稳定与静力稳定，上述稳定性概念是指静力稳定。在负阻尼情况下，体系的位能随时间而增大，则体系是动力不稳定的。

静力问题引起的结构变形的监测的发展已经相当成熟，对于结构动力稳定性的监测在理论上发展了很多方法[1]。由于脚手架是临时性工程，脚手架工程稳定性的监测则被工程人员所忽略，但从当前事故发展情况来看，对脚手架稳定性的监测不容忽视。本文在系统调研的基础上，分析了脚手架工程失稳的内力和外力因素，分析和总结了结构健康监测技术在脚手架工程稳定性监测上的应用研究中的主要方法，热点问题和新方法，以及面临的主要问题和挑战，同时对下一步的研究和设计施工工作提出了相关建议，希望能对今后的设计和监测工程人员有所启发。

2 影响脚手架稳定性因素

结构理论对稳定问题的研究是在理想化的数学模型上进行的，而实际结构却并不象数学模型那样理想，因此实用上需要考虑各种因素的影响。以受压直杆为例，荷载不可能绝对对准截面中心；杆件本身总会有某种初始弯曲，即所谓“几何缺陷”；材料本身不可避免地具有某种“组织缺陷”等。这样，除了弹性模量和杆件的几何尺寸之外，所有上述各项因素也都不同程度地影响着压杆的承载力，在结构设计时这种影响常常应予以考虑。除了材料影响脚手架稳定性外，还有如下重要因素。

2.1内力因素

脚手架任何一个杆件和节点都会对脚手架整体稳定性与承载能力产生影响。步距对脚手架的临界荷载关系密切。脚手架的临界荷载与立杆的长度的平方成反比，它随脚手架的步距的加大而减少；连墙件的设置同样至关重要。如果随意扩大连墙件的竖向间距，就会导致脚手架临界荷载大大降低，增大了脚手架的立杆的计算长度。由于脚手架的纵向刚度大于脚手架的横向刚度，如果脚手架发生整体稳定，则脚手架呈现出外力杆与横向杆组成的横向框架沿垂直与主体结构的大波弯曲现象。整体失稳破坏始于连接墙件、横向刚度或弯曲较大的部位，如果连接墙件竖向间距较大，则弯曲波长较长，脚手架失稳就越严重。连接墙件的存在是对立杆起到一个中间支座的作用；扫地杆的设置同样对脚手架稳定性起到关键性作用。扫地杆在脚手架中主要起到对立杆的约束作用，起到降低立杆计算长度的作用。脚手架设计中将一个脚手架段计算简化为按单轴心受压杆来计算，而公式中的h指的是扫地杆到上步纵向水平杆的步距，而规定中确定的脚手架首步架高为1.5m指的就是扫地杆的步距。脚手架立杆长度计算公式为[2]

(1)

其中為立杆计算长度系数，为立杆计算长度参照系数。如果实际施工中忽视对扫地杆进行控制、检查，会造成的加大，加大了脚手架的长度计算，从而降低脚手架的承载力，导致脚手架稳定性降低；立杆横距对脚手架稳定性的影响。加大立杆横距，在其他条件不变的情况下，会加大立杆的长度计算系数，导致脚手架临界承载力下降；剪力撑对脚手架稳定性影响因素。剪力撑的存在将脚手架立杆连接在一起，提高了脚手架整体的空间刚度，也提高脚手架的整体稳定性；扣件的拧紧程度的影响。扣件的拧紧程度越高，则脚手架的压杆类型可近似的向两端固定接近，可大大降低脚手架的立杆计算长度，提高脚手架的承载能力。

2.2外力因素

风荷载是空气流动形成的风在遭遇建筑物时，在建筑物表面产生的压力或吸力。风荷载与风的性质、建筑物所处的地貌及周围环境有关，同时也与建筑物本身的体型、高度等有关。风荷载是导致脚手架失稳的最主要的外力因素，工程中常常发生因强风作用引起的外力超过脚手架极限承载力而导致垮塌造成人员伤亡和经济损伤。再者是风振作用，风的脉动部分对脚手架结构所引起的动态作用。一般结构对风力的动态作用并不敏感，可仅考虑静态作用。但对于高耸结构（如塔架、烟囱、水塔）和高层建筑的脚手架而言，除考虑静态作用外，还需考虑动态作用。动态作用与脚手架自振周期、结构振型，结构阻尼和结构高度等因素有关，可将脉动风压假定为各态历经随机过程按随机振动理论的基本原理导出。为方便起见，动态作用常用等效静态放大系数，即风振系数的方式与静态作用一并考虑。脉动风作用机理是有节奏的激励脚手架，使得脚手架产生共振使得脚手架产生较大的横向振动位移，导致脚手架失稳垮塌。中国的地理位置和气候条件造成的大风为：夏季东南沿海多台风，内陆多雷暴及雹线大风；冬季北部地区多寒潮大风。其中沿海地区的台风往往是设计工程结构的主要控制荷载。台风造成的风灾事故较多，影响范围也较大。雷暴大风可能引起小范围内的风灾事故。

3 脚手架应力、位移及几何变形监测

此类问题为静力或者平均风荷载引起的脚手架的变形。脚手架的几何变形识别内力状态的重要参数，而立杆的线形是反映当脚手架力状态的最要指标，因此立杆的应力应变及几何变形是监测的只要内容。静力问题引起的结构变形的监测的发展已经相当成熟，应用成熟的是用静力应变片测量最容易发生较大变形位置的应变换算成应力来达到监测的效果。空间位置变化监测点可根据脚手架结构数值模拟分析的结果选择，常选择结构变形较大和变形的拐点监测，传感器可采用GPS、压力变送器、位移计及全站仪进行变形监控。贺志勇等[3]利用测量技术和高精度全站仪对其施工进行了全程日照变形监测，对超高层建筑施工安全、施工验收和相应规范的改进具有重要的参考指导作用。

4 基于振动的脚手架稳定性监测方法

基于振动测试的结构损伤诊断方法是目前结构损伤诊断领域研究应用最广泛的方法之一，它具有不影响结构正常工作，可实现长期或在线监测，操作简单方便等特点。脚手架动态稳定性的监测不容忽视。

4.1基于频域方法

固有频率是结构物理参数的函数，固有频率对结构的损伤并不敏感，因此不适用于脚手架的稳定性监测和评估。基于振型的动力指纹方法研究较多，结构损伤引起振型的变化，并且振型中包含位置信息。如Pandey[4]提出的曲率模态法、模态置信因子（MAC）和坐标模态置信因子(COMAC)[5]、协调模态置信因子(ECOMAC)等[6]、模态应变能法、柔度矩阵法以及应变模态发等。基于频域响应函数的方法也得到较大的发展。这些方法在桥梁结构中得到较成熟的应用，也适用于脚手架工程，通过传感器测量得到的动态信号来识别出脚手架的模态参数，计算出上述因子来监测和评估脚手架的稳定性。

4.2基于时域方法

对于时间响应的分析和特征提取，主要有：基于时间序列的分析法和奇异值分解法。

基于时间序列模型的方法：通常结构模型复杂，并且输出输入信号容易受噪声污染，使得模态分析不精确甚至不可行。结构在环境激励下的响应是随机的对这些随机数据，可建立一种如ARMA、AR、MA的时间序列模型，不需要测得输入信号[7]。从数学模型中提取包含有结构模态参数信息的模型系数，能够避免复杂有限元的建模和噪声的影响[8]。基于时间序列模型的方法原理简单，实施方便，但是它需要满足两个基本条件：线性性和静态性，对于稍微复杂一点的系统或许就不适用了。

基于奇异值分解方法：奇异值分解是一种常见的降维方法，它是对整个响应序列数据的整体表示以及特征提取和变换。作为线性变换，奇异值分解在数据重构上误差最小，这样它在一些情况下能够取得很好的性能[9]，根据损伤前后奇异值的变化进行识别，能够在环境激励和不同工况下应用[10]。

4.3基于时频域方法

对结构的健康监测和稳定性评估，往往先得到结构的动力响应信息，接下来的工作是如何对这些具体信息进行分析处理。傅里叶变换只能反映整个信号在全部时间内的整体频域特征，不能提供任何局部时间段上的频率信息。小波变换是一种具有“变焦”特性的多分辨率分析方法，局部化和多尺度分析是精华所在，可以用不同的分辨率来观察信号，在时频两域都具有表征信号局部特征的能力。小波变换作为一种新的时频分析方法，在损伤检测领域得到了广泛的应用[11,12]。小波在处理结构测试数据时具有极大的优势，可以预见其在结构健康监测系统中和结构健康监测分析中有着广阔的发展空间和应用价值。

5监测方法的热点研究问题

5.1传感器优化布置

在结构的监测和检测中，我们不可能取得结构完整的模态数据，而只能相对于有限元模型的部分自由度的模态数据，弥补这种差距的通常做法是扩展实测模态数据或缩减模型自由度。另种方法是用测试得到的不完全数据直接进行健康监测，则传感器的位置和数量就对健康监测的效果起到重要的作用。一般来说，传感器优化布置需要满足以下几点：(l)传感器系统的设备耐久性强、维护方便、数据通信有效，且费用最小；(2)在复杂的自然环境下，用尽量少的传感器获取最有效的信息；(3)传感器的布置应不影响结构正常使用功能的前提下，最有利于信息的直接观测和推断；(4)可观测的模态参数对结构的局部损伤和性能退化敏感性强。脚手架结构比桥梁结构相对复杂，传感器的数量和安装位置需要优化配置，减小不必要的投入。

5.2非线性方法

基于非线性动力学方法为结构健康监测提供另一种全新的方法，非线性信号处理的基本方法是把一维的系统响应扩展到多维相空间来进行研究。Nichols，Tod等运用混沌序列激励结构的方法来进行结构健康监测，证明了基于混沌的非线性方法在结构健康监测领域有具有发展潜力[13]。文献[14]应用响应信号相空间拓扑结构变化提取了一系列新类型的结构健康判断因子，成功评估结构的健康状况。这些因子的提取不需要建立初始系统模型，而是直接以系统动力响应相空间建立结构“健康”状态的参考模型。然而，上述基于动力响应的非线性健康监测的研究都需要混沌时间系列的外部激励，在实际工程中，特别是大型土木结构，应用混沌序列来激励很难得以实现，因此在脚手架结构健康监测的应用中具有一定困难。Nichols[15]应用环境激励的响应对海洋平台结构进行健康监测，应用响应相空间检测出损伤的存在并量化了结构刚度的降低。非线性的方法无疑为脚手架结构的健康监测和稳定性评估提供了新的方法。

6展望

1.监测数据的采集与传输和信息化技术研究：脚手架体积庞大，传感器离散分布，对传感器系统和数据采集系统有许多特殊性能的要求，其不仅仅要满足耐久性、精度要求，还要考虑其经济性和操作简易性。所以对光纤等具有显著特性的传感器及其分布方式的研究具有很大的是使用价值。传统的有限数据传输方式使监测系统的假设费用和维护成本高昂、系统的可靠性降低，因此迫切需要发展先进的數据传输系统或无限传输技术。

2.监测数据处理技术及结果可视化的研究：现有在线监测的大型结构越来越多，随着时间的推移，必将形成海量数据，如何这些数据进行筛选、判断和处理是个重大而有迫切需要解决的课题，同时，如何让那些枯燥的数据通过可视化显示，让一般人都能理解结构的健康状况是将来结构健康监测让社会普遍接受的关键一步，具有很大的社会意义。

3.从脚手架结构内部确保其稳定性：明确确定连接墙件的设置，在施工中对连接墙件的设置进行严格控制；增加横向支撑，提高脚手架的横向刚度来提高脚手架的稳定承载能力。

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作者简介：

李世敏，男，1981，江苏徐州人，毕业于石家庄经济学院，徐州矿务集团有限公司夹河煤矿助理工程师。

杨玲，女，1984, 江苏徐州人，毕业于石家庄经济学院。