一种提篮式型钢悬挑脚手架自动化监测预警系统及应用的制作方法

1.本发明涉及建筑施工技术领域，具体涉及一种提篮式型钢悬挑脚手架自动化监测预警系统及应用。


背景技术：

2.脚手架在建筑工程施工中具有重要作用，但相关的安全事故问题也屡见不鲜。为了实现脚手架相关部分成本的降低，提篮式型钢悬挑脚手架在工程建设中多有应用。然而如何对提篮式型钢悬挑脚手架进行有效的监测，从而确保施工安全，这个问题尚未有有效的解决方案。
3.目前，对提篮式型钢悬挑脚手架普遍参考完全悬挑脚手架进行监测。一般做法为在主梁、钢管适当部位粘贴应变片进行应力监测，采用全站仪或水准仪对主梁、钢管适当部位进行变形监测。但该类做法存在如下问题：监测效率低，人力成本高，监测结果人为干扰因素大，监测结果分析耗时较长，监测结果应用存在延时，可能延误脚手架问题的发现造成安全隐患。监测点位保护难度大，失效概率高。现场施工过程容易造成粘贴应变片松弛脱落，数据采集线被破坏等问题，造成监测工作无法顺利进行。无法考虑连墙位置处混凝土强度不足问题，造成脚手架有由于混凝土强度不足造成整体失稳的风险。只能对监测点位的特定物理量进行监测，无法考虑脚手架的整体稳定性。随着工程施工条件的变化，无法对脚手架的整体状态进行实时监控，无法提前采取预控措施避免安全事故发生。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种提篮式型钢悬挑脚手架自动化监测预警系统及应用，能够实现对脚手架整体稳定性的实时监测。针对传统方法监测效率低、人力成本高、监测结果人为干扰因素大、监测结果应用存在延时、监测点位保护难度大失效概率高、无法考虑主梁连墙位置处混凝土强度不足、无法考虑立杆脱空、无法考虑拉杆失效、无法考虑主梁连墙节点抗弯刚度不足、无法考虑脚手架的整体稳定性、无法实时监控、无法提前采取预控措施等问题加以有效解决。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.一种提篮式型钢悬挑脚手架自动化监测预警系统，该系统包括脚手架安装时机预测系统、zigbee无线网络传输系统、整体稳定性智能化分析系统、实时预控及报警系统四个子系统；
7.安装时机预测系统通过脚手架连墙位置处混凝土等效龄期预测其强度，从而预测合适的脚手架安装时机；脚手架安装的同时进行悬挑型钢主梁底部监测点位mems倾角传感器的安装；
8.传感器测得主梁变形通过zigbee无线网络传输系统传输至脚手架整体稳定性智能分析系统，整体稳定性智能分析系统综合采用概率分析法、抽样方法、响应面法和有限元法得出脚手架整体稳定性概率分布；然后将整体稳定性信息通过zigbee无线网络传输系统
传输至实时预控及报警系统从而实现实时预控和报警。
9.作为本发明进一步的方案：脚手架安装时机预测系统主要包括室内试验标定脚手架连墙位置处同标号同类型混凝土的等效龄期和强度关系、自动化采集混凝土浇筑后工程所在地的气温和未来一段时间的气温；根据气温采集数据，按照下式计算等效龄期te；
[0010][0011]
其中，t0为终凝时间(d)；t为随时间t变化的温度(k)；tr为对比温度，可以取为常数-253.15k；ea为水泥混凝土的表观活化能(kj/mol)；r为气体常数(kj/mol/k)；ea/r可以取为常数4000k；计算得出等效龄期随时间的变化，根据室内试验标定得出的等效龄期和强度关系即可以得出混凝土强度随时间的变化，当混凝土预计达到特定的强度时即可安排在对应的未来特定时间点进行脚手架安装。
[0012]
作为本发明进一步的方案：达到安装时机后随机生成需要进行监测的脚手架悬挑主梁编号，进行脚手架安装，同时进行对应悬挑主梁底部监测点位mems倾角传感器的安装；mems倾角传感器沿着悬挑主梁底部轴向等间距布置，使得悬挑主梁两端底部各布置1个传感器，1根悬挑主梁总计最少布置5个mems倾角传感器。
[0013]
作为本发明进一步的方案：mems倾角传感器监测得出的倾角数据通过zigbee无线网络传输系统实时传输至整体稳定性智能化分析系统，整体稳定性智能化分析系统通过5个倾角数据反演出两立杆传递的轴向力f
ni
和f
no
、两拉杆拉力f
li
和f
lo
、主梁连墙节点的抗弯刚度k，具体反演公式为
[0014][0015]
[0016][0017][0018][0019]
其中，θ1、θ2、θ3、θ4、θ5分别表示离墙距离由近到远的5个传感器测得倾角；f
ni
和f
no
分别表示内外两立杆传递荷载(kn)；f
li
和f
lo
分别表示内外两拉杆拉力(kn)；θ
li
和θ
lo
分别表示内外两拉杆与水平面的夹角；k表示主梁连墙节点的抗弯刚度(kn
·
m)；l
ni
和l
no
分别表示内外两立杆与主梁连接点距离主梁与墙连接点之间的距离(m)；l
li
和l
lo
分别表示内外两拉杆与主梁连接点距离主梁与墙连接点之间的距离(m)；lb表示悬挑主梁长度(m)；ei表示悬挑主梁的抗弯刚度(kn
·
m2)；sign(x)表示符号函数，当x≥0时，sign(x)＝1，当x＜0时，sign(x)＝0。
[0020]
作为本发明进一步的方案：整体稳定性智能化分析系统对所监测悬挑主梁的内立杆传递荷载进行实时统计分析，自动得出内立杆悬空的概率；对所监测悬挑主梁的外立杆传递荷载进行实时统计分析，自动得出外立杆悬空的概率；对所监测悬挑主梁的内拉杆拉力进行实时统计分析，自动得出内拉杆失效的概率；对所监测悬挑主梁的外拉杆拉力进行实时统计分析，自动得出外拉杆失效的概率；对所监测悬挑主梁的主梁连墙节点的抗弯刚度进行实时统计分析，自动得出主梁连墙节点抗弯刚度的截尾正态分布参数。
[0021]
作为本发明进一步的方案：整体稳定性智能化分析系统根据工程实际建立提篮式型钢悬挑脚手架多影响因素的参数化有限元模型，并自动进行整体稳定性计算自动给出整体稳定性系数；影响因素包括每根悬挑主梁对应的内立杆是否悬空、外立杆是否悬空、内拉杆是否失效、外拉杆是否失效、主梁连墙节点的抗弯刚度。
[0022]
作为本发明进一步的方案：整体稳定性智能化分析系统根据内立杆悬空的概率、外立杆悬空的概率、内拉杆失效的概率、外拉杆失效的概率、主梁连墙节点的抗弯刚度所服
从的截尾正态分布采用抽样方法给出每根悬挑主梁对应的各因素取值，然后自动进行整体稳定性有限元计算自动给出整体稳定性系数；多次采用抽样方法结合参数化有限元模型即可计算出多个整体稳定性系数；整体稳定性智能化分析系统自动采用响应面法建立整体稳定性系数与多影响因素的关系，从而确定整体稳定性概率分布。
[0023]
作为本发明进一步的方案：整体稳定性概率分布通过zigbee无线网络传输系统传输至实时预控及报警系统的现场led显示屏、现场报警器和管理人员智能手机，当整体稳定性系数大于2.0概率低于90％时现场报警器即自动发出报警，现场管理人员即组织劳务班组进行脚手架加固处置，直至满足整体稳定性系数大于2.0的概率大于90％。
[0024]
作为本发明进一步的方案：一种提篮式型钢悬挑脚手架自动化监测预警系统的应用，该应用包括以下步骤
[0025]
(1)室内标定：取脚手架连墙位置处同标号同类型混凝土制作最少5个试件，然后在标准室内试验条件下分别养护3d、7d、14d、21d、28d，对每个标准养护结束的试件测出其强度；计算得出标准室内试验条件下养护3d、7d、14d、21d、28d对应的等效龄期，即可得出等效龄期和强度关系；
[0026]
(2)合适安装时间预测：安装时机预测系统在混凝土浇筑完成后开始自动采集工程所在地的气温和未来一段时间的气温，根据采集的气温随时间的变化信息，自动计算得出等效龄期随时间的变化，自动根据室内试验标定得出的等效龄期和强度关系得出混凝土强度随时间的变化，当混凝土预计达到特定的强度时即可以安排在对应的未来特定时间点进行脚手架安装；
[0027]
(3)脚手架安装及mems倾角传感器安装：到达指定安装时间点时，现场组织进行脚手架悬挑主梁安装及mems倾角传感器安装；
[0028]
(4)各设备系统连接及调试：将mems倾角传感器通过zigbee无线网络传输系统与整体稳定性智能化分析系统建立连接，将整体稳定性智能化分析系统通过zigbee无线网络传输系统与实时预控及报警系统建立连接；全部进行无线连接完成后，进行系统调试确保正常运行；
[0029]
(5)系统自动化监测及预警：mems倾角传感器采集的悬挑主梁倾角数据实时传输至整体稳定性智能化分析系统，整体稳定性智能化分析系统将实时分析得出的整体稳定性信息实时传输至实时预控及报警系统，从而实现对现场提篮式型钢悬挑脚手架自动化监测和预警；
[0030]
(6)现场处置：现场管理人员收到预警信息后，组织安装人员对脚手架提前进行加固，直至预警自动解除；
[0031]
(7)系统拆除重复利用：随着现场提篮式型钢悬挑脚手架的悬挑主梁的拆除，提篮式型钢悬挑脚手架自动化监测预警系统也进行拆除回收，以便本工程其它脚手架使用或者其它工程中的脚手架使用。
[0032]
本发明的有益效果：
[0033]
(1)本发明可以实现对提篮式型钢悬挑脚手架的自动化智能化监测，可以实现对提篮式脚手架的整体稳定性进行实时预测，从而在提篮式型钢悬挑脚手架有较大安全隐患时提前采取加强措施。同时还能解决传统方法监测效率低、人力成本高、监测结果人为干扰因素大、监测结果应用存在延时、监测点位保护难度大失效概率高、无法考虑主梁连墙位置
处混凝土强度不足、无法考虑立杆脱空、无法考虑拉杆失效、无法考虑主梁连墙节点抗弯刚度不足、无法考虑脚手架的整体稳定性、无法实时监控、无法提前采取预控措施等问题。
[0034]
(2)本发明采用混凝土等效龄期和强度关系实时预测混凝土的强度随时间(包括未来一段时间)的变化，从而提前预测合适的脚手架安装时机，一方面可以为项目部预留充足的脚手架安装筹划准备时间，另一方面可以避免由于连墙节点混凝土强度不足造成脚手架整体失稳破坏。解决了传统方法无法考虑主梁连墙位置处混凝土强度不足的难题。
[0035]
(3)本发明采用mems倾角传感器实时监测悬挑主梁的倾角，实时反演立杆脱空概率、拉杆失效概率、主梁连墙节点抗弯刚度截尾正态分布参数。解决了传统方法监测结果人为干扰因素大、监测点位保护难度大失效概率高等难题，同时解决了传统方法无法考虑立杆脱空、无法考虑拉杆失效、无法考虑主梁连墙节点抗弯刚度不足等问题。
[0036]
(4)本发明综合采用概率分析方法、抽样方法、参数化有限元法实现了由监测数据实时推断脚手架整体稳定性概率的目的，解决了传统方法无法考虑脚手架整体稳定性、无法提前采取预控措施的难题。
[0037]
(5)本发明整套提篮式型钢悬挑脚手架自动化监测预警系统在开始监测后为自动运行实时监测系统，可以解决传统方法监测效率低、人力成本高、监测结果人为干扰因素大、监测结果应用存在延时、无法实时监控等问题。
[0038]
(6)本发明整套系统可以在同一项目不同楼栋周转使用，也可以在不同工程项目重复使用。可以极大程度的降低工程中脚手架监测成本。
附图说明
[0039]
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0040]
图1是本发明提篮式型钢悬挑脚手架自动化监测预警系统示意图；
[0041]
图2是本发明mems倾角传感器布置示意图。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
提篮式型钢悬挑脚手架和一般悬挑脚手架工作原理不同，提篮式型钢悬挑脚手架悬挑主梁和拉杆均发挥着较为重要的作用。现场施工中发现，两立杆与悬挑主梁接触部位可能出现脱空现象导致立杆无法将上部荷载传递至主梁；内拉杆和外拉杆可能出现安装时没预紧、预紧不足导致拉杆松弛失效；主梁连墙节点处连接螺栓连接质量不佳或者后期松动导致连接节点抗弯刚度不足。显然，现有的脚手架监测方法无法对这3个问题进行有效监测。
[0044]
考虑到mems倾角传感器具有无线化、无源化、智能化、集成化、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高的特点，等效龄期可以实现混凝土强度的预测，综合采用概率分析、抽样、参数化有限元法、响应面法可以实现由局部信息推断整体信息的功能。本发明采用室内试验标定混凝土等效龄期与强度的关系，通过随时间(包括未来一段时间)变化的气温信息的收
集求出随时间(包括未来一段时间)变化的等效龄期，从而求出随时间(包括未来一段时间)变化的混凝土强度，从而预测出合适的脚手架安装时机。采用mems倾角传感器对悬挑主梁进行倾角实时监测，根据监测结果反演提篮式型钢悬挑脚手架稳定性影响因素的取值，采用概率分析方法分析各影响因素，采用抽样法、参数有限元法、响应面法实现由局部监测信息实时推断脚手架整体稳定性概率分布的目的，从而实现提篮式型钢悬挑脚手架的实时监测和预控。该系统可以提前预测脚手架的安装时机，可以实现根据局部监测信息进行脚手架整体稳定性的实时监测和预控，从而保证提篮式型钢悬挑脚手架工程的安全。
[0045]
请参阅图1和图2所示，本发明为一种提篮式型钢悬挑脚手架自动化监测预警系统，提篮式型钢悬挑脚手架自动化监测预警系统由脚手架安装时机预测系统、zigbee无线网络传输系统、整体稳定性智能化分析系统、实时预控及报警系统四个子系统组成。
[0046]
脚手架安装时机预测系统主要包括室内试验标定脚手架连墙位置处同标号同类型混凝土的等效龄期和强度关系、自动化采集混凝土浇筑后工程所在地的气温和未来一段时间(如1周)的气温，根据气温随时间(包括未来一段时间)的变化计算得出等效龄期随时间(包括未来一段时间)的变化，根据室内试验标定得出的等效龄期和强度关系即可以得出混凝土强度随时间(包括未来一段时间)的变化，当混凝土预计达到特定的强度(如75％的设计强度)时即可以安排在对应的未来特定时间点进行脚手架安装。这样可以避免由于连墙节点混凝土强度不足造成脚手架整体失稳破坏。
[0047]
达到安装时机后随机生成需要进行监测的脚手架悬挑主梁编号，进行脚手架安装，同时进行对应悬挑主梁底部监测点位mems倾角传感器的安装。mems倾角传感器沿着悬挑主梁底部轴向等间距布置，保证悬挑主梁两端底部各布置1个传感器，1根悬挑主梁总计最少布置5个mems倾角传感器。mems倾角传感器具有无线化、无源化、智能化、集成化、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高的特点，从而能解决监测点位保护难度大失效概率高的难题。
[0048]
mems倾角传感器监测得出的倾角数据通过zigbee无线网络传输系统实时传输至整体稳定性智能化分析系统，整体稳定性智能化分析系统通过5个倾角数据反演出两立杆传递的轴向力和、两拉杆拉力和、主梁连墙节点的抗弯刚度。整体稳定性智能化分析系统对所监测悬挑主梁的内立杆传递荷载进行实时统计分析，自动得出内立杆悬空的概率；对所监测悬挑主梁的外立杆传递荷载进行实时统计分析，自动得出外立杆悬空的概率；对所监测悬挑主梁的内拉杆拉力进行实时统计分析，自动得出内拉杆失效的概率；对所监测悬挑主梁的外拉杆拉力进行实时统计分析，自动得出外拉杆失效的概率；对所监测悬挑主梁的主梁连墙节点的抗弯刚度进行实时统计分析，自动得出主梁连墙节点抗弯刚度的截尾正态分布参数。这样可以解决无法考虑立杆脱空、无法考虑拉杆失效、无法考虑主梁连墙节点抗弯刚度不足的难题。
[0049]
在整体稳定性智能化分析系统中根据工程实际建立提篮式型钢悬挑脚手架多影响因素的参数化有限元模型，并自动进行整体稳定性计算自动给出整体稳定性系数。影响因素包括每根悬挑主梁对应的内立杆是否悬空、外立杆是否悬空、内拉杆是否失效、外拉杆是否失效、主梁连墙节点的抗弯刚度。整体稳定性智能化分析系统根据内立杆悬空的概率、外立杆悬空的概率、内拉杆失效的概率、外拉杆失效的概率、主梁连墙节点的抗弯刚度所服从的截尾正态分布采用抽样方法给出每根悬挑主梁对应的各因素取值，然后自动进行整体稳定性有限元计算自动给出整体稳定性系数。多次采用抽样方法结合参数化有限元模型即
可计算出多个整体稳定性系数。整体稳定性智能化分析系统自动采用响应面法建立整体稳定性系数与多影响因素的关系，从而确定整体稳定性概率分布。这样可以解决无法考虑脚手架整体稳定性的难题。
[0050]
整体稳定性概率分布通过zigbee无线网络传输系统传输至实时预控及报警系统的现场led显示屏、现场报警器和管理人员智能手机，当整体稳定性系数大于2.0概率低于90％时现场报警器即自动发出报警，现场管理人员即组织劳务班组进行脚手架加固处置，直至满足整体稳定性系数大于2.0的概率大于90％。这样可以解决无法提前采取预控措施的难题。
[0051]
整套提篮式型钢悬挑脚手架自动化监测预警系统在开始监测后为自动运行实时监测系统，可以解决传统方法监测效率低、人力成本高、监测结果人为干扰因素大、监测结果应用存在延时、无法实时监控等问题。
[0052]
提篮式型钢悬挑脚手架自动化监测预警系统的应用，包括以下步骤：
[0053]
(1)室内标定：取脚手架连墙位置处同标号同类型混凝土制作最少5个试件，然后在标准室内试验条件下分别养护3d、7d、14d、21d、28d，对每个标准养护结束的试件测出其强度。计算得出标准室内试验条件下养护3d、7d、14d、21d、28d对应的等效龄期，即可得出等效龄期和强度关系。
[0054]
(2)合适安装时间预测：安装时机预测系统在混凝土浇筑完成后开始自动采集工程所在地的气温和未来一段时间(如1周)的气温，根据采集的气温随时间的变化信息，自动计算得出等效龄期随时间(包括未来一段时间)的变化，自动根据室内试验标定得出的等效龄期和强度关系得出混凝土强度随时间(包括未来一段时间)的变化，当混凝土预计达到特定的强度时即可以安排在对应的未来特定时间点进行脚手架安装。
[0055]
(3)脚手架安装及mems倾角传感器安装：到达指定安装时间点时，现场组织进行脚手架悬挑主梁安装及mems倾角传感器安装。
[0056]
(4)各设备系统连接及调试：将mems倾角传感器通过zigbee无线网络传输系统与整体稳定性智能化分析系统建立连接，将整体稳定性智能化分析系统通过zigbee无线网络传输系统与实时预控及报警系统建立连接。全部进行无线连接完成后，进行系统调试确保正常运行。
[0057]
(5)系统自动化监测及预警：mems倾角传感器采集的悬挑主梁倾角数据实时传输至整体稳定性智能化分析系统，整体稳定性智能化分析系统将实时分析得出的整体稳定性信息实时传输至实时预控及报警系统，从而实现对现场提篮式型钢悬挑脚手架自动化监测和预警。
[0058]
(6)现场处置：现场管理人员收到预警信息后，组织安装人员对脚手架提前进行加固，直至预警自动解除。
[0059]
(7)系统拆除重复利用：随着现场提篮式型钢悬挑脚手架的悬挑主梁的拆除，提篮式型钢悬挑脚手架自动化监测预警系统也进行拆除回收，以便本工程其它脚手架使用或者其它工程中的脚手架使用。
[0060]
需要说明的是：本发明在预测脚手架安装时机时采用75％的设计强度作为控制强度，也可以采用80％的设计强度、85％的设计强度，采用的设计强度越高，脚手架越不容易发生由于混凝土强度不足导致的失稳问题，但也容易造成混凝土浇筑完成后脚手架安装等
待时间过长，造成工程进度滞后，实际工程中应该结合具体情况设置强度参数；在mems倾角传感器安装时采用5个传感器，工程实践中可以考虑更多的传感器；整体稳定性预警阈值为整体稳定性系数大于2.0概率低于90％，工程实践中也可以根据实际需求而调整，设置的预警阈值越严格，报警频率会越高，现场需要投入的加固人力和物力会越大，脚手架的安全性越高；室内标定时采用5个试件在标准室内试验条件下分别养护3d、7d、14d、21d、28d，实际操作中也可以根据需要调整养护条件和养护时间，只需保证得出的等效龄期有较大差别即可，从而保证能得出等效龄期和强度关系。
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提篮式型钢悬挑脚手架的监测和预警工作对建筑工程安全施工具有十分重要的作用。本发明可以实现对提篮式型钢悬挑脚手架的自动化智能化实时监测和预警，尤其能够解决传统监测手段无法实现对脚手架整体稳定性进行实时监测的难题，同时还能解决传统方法监测效率低、人力成本高、监测结果人为干扰因素大、监测结果应用存在延时、监测点位保护难度大失效概率高、无法考虑主梁连墙位置处混凝土强度不足、无法考虑立杆脱空、无法考虑拉杆失效、无法考虑主梁连墙节点抗弯刚度不足、无法考虑脚手架的整体稳定性、无法提前采取预控措施等问题。
[0062]
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。