引洮供水渡槽承重半剛性滿堂腳手架優(yōu)化設(shè)計(jì)★

曾亞平 孫新建,2* 朱云龍

(1.青海大學(xué)水利電力學(xué)院，青海 西寧 810016；2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084; 3.株洲市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南 株洲 412000)

引洮供水渡槽承重半剛性滿堂腳手架優(yōu)化設(shè)計(jì)★

曾亞平1孫新建1,2*朱云龍3

(1.青海大學(xué)水利電力學(xué)院，青海 西寧 810016；2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084; 3.株洲市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南 株洲 412000)

以引洮供水工程為背景，用ANSYS-OPT，考慮初始缺陷，建立了半剛性腳手架三維參數(shù)化模型，并分析了影響腳手架承載能力的各項(xiàng)因素，得到優(yōu)化結(jié)果，對(duì)同類腳手架的設(shè)計(jì)有重要意義。

半剛性，腳手架，承載能力，有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

就引洮供水工程高空渡槽施工承重扣件式腳手架而言，其為扣件式鋼管滿堂腳手架，是指在縱、橫方向由不少于3排的立桿構(gòu)成并且架體頂部荷載通過(guò)水平桿底模下的木枋傳遞給立桿[1,2]，頂部立桿呈偏心受壓的模板支撐體系；此種體系的失穩(wěn)一般發(fā)生在排數(shù)少，整體剛度較弱的方向。在實(shí)際工程中，腳手架的選材、計(jì)算、搭設(shè)往往都是依靠經(jīng)驗(yàn)，使得結(jié)構(gòu)存在一定的安全隱患，并且無(wú)法達(dá)到控制成本的目的[3,4]。因此，在腳手架使用過(guò)程中，需認(rèn)識(shí)以上因素對(duì)腳手架整體承載能力的影響，本文通過(guò)ANSYS對(duì)各個(gè)參數(shù)變化時(shí)腳手架的整體受力性能進(jìn)行分析，得出一些結(jié)論，為該類腳手架的使用提供數(shù)值依據(jù)。

1 優(yōu)化模型的建立

該文利用APDL參數(shù)技術(shù)和ANSYS的命令創(chuàng)建參數(shù)化分析文件，指定步距、縱距、橫距為優(yōu)化變量，腳手架復(fù)合應(yīng)力為約束條件，腳手架的總質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。ANSYS程序提供了多種優(yōu)化方法，本文采用的方法[5]是，首先用單步運(yùn)行法，提供一個(gè)初始序列，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用掃描法，它按照單一步長(zhǎng)在每次計(jì)算后將設(shè)計(jì)變量在變化范圍內(nèi)加以改變，從而獲得多個(gè)設(shè)計(jì)序列，該文指定初始設(shè)計(jì)序列為參考設(shè)計(jì)序列，評(píng)估點(diǎn)的數(shù)目NSPS指定為4，對(duì)于每個(gè)設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行4次循環(huán)，設(shè)計(jì)變量在每次循環(huán)中以該步長(zhǎng)遞增，優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果見(jiàn)表1。質(zhì)量與復(fù)合應(yīng)力隨優(yōu)化設(shè)計(jì)序列號(hào)變化的關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

該工程腳手架的體積是一個(gè)固定值，即橫向6 m，縱向15 m,豎向16.5 m,通過(guò)優(yōu)化及施工的考慮，得出最優(yōu)的橫距為1 m，橫向?yàn)?跨，最優(yōu)縱距為0.5 m，縱向?yàn)?9跨，最優(yōu)步距為1 m，豎向?yàn)?6跨，鋼管用量?jī)H為原來(lái)的74.8%，復(fù)合應(yīng)力為218 MPa，小于235 MPa，在安全范圍之內(nèi)，但安全裕量不大。

以該優(yōu)化模型為原形，依照規(guī)范[5]JGJ 130—2011要求，扣件擰緊力矩應(yīng)控制在40 N·m～65 N·m，立桿伸出頂層水平桿長(zhǎng)度不應(yīng)大于0.5 m，本文采用擰緊力矩40 N·m,伸出長(zhǎng)度0.2 m進(jìn)行分析，并將特征值屈曲分析中所得第一階失穩(wěn)模態(tài)按比例(這里取縮放系數(shù)為1%)作為初始缺陷，進(jìn)行非線性屈曲分析，分析不同情況對(duì)腳手架受力性能的影響。

2 不同條件下的腳手架整體受力性能分析

表1 列表顯示所有設(shè)計(jì)序列

扣件式鋼管腳手架的簡(jiǎn)化計(jì)算分析模型的關(guān)鍵在于對(duì)扣件節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化，在本文有限元分析中采用了浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所魯征[7]得出的結(jié)果，利用彈簧單元來(lái)模擬扣件節(jié)點(diǎn)的半剛性連接。對(duì)于施工搭設(shè)存在的問(wèn)題，本文選取以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：1)立桿伸出頂層水平桿的長(zhǎng)度對(duì)腳手架受力性能的影響;2)不同剪刀 撐搭設(shè)方案對(duì)腳手架受力性能的影響;3)不同連墻桿搭設(shè)方案對(duì)腳手架受力性能的影響。

該文采用的立柱和水平連接桿件的鋼管，本應(yīng)按照J(rèn)GJ 130—2011建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范推薦使用φ48.3×3.6 mm鋼管，鑒于對(duì)實(shí)際施工的考慮采用φ48×3.5 mm鋼管，鋼管采用Q235鋼材，鋼材彈性模量2.06×1011N/m2，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度2.35×108N/m2，密度為7 800 kg/m3。在建立有限元模型時(shí),采用管單元Beam188模擬鋼管，彈簧單元Combin39模擬扣件半剛性。荷載以集中荷載的形式加于立桿頂端，并且考慮偏心荷載的作用，偏心距大小為計(jì)算長(zhǎng)度的1%。立桿底部鉸接，立桿頂部約束橫向和縱向的平動(dòng)位移，以模擬支撐模板對(duì)立桿的約束，并且利用雙線性等向強(qiáng)化BISO模型體現(xiàn)材料的非線性。

2.1 立桿伸出頂層水平桿的長(zhǎng)度對(duì)腳手架受力性能的影響

目前現(xiàn)場(chǎng)施工中，為調(diào)整立桿高度，經(jīng)常使用托撐，將其插入立桿鋼管頂部，上部自帶的托盤作為模板面板下大楞木的支座，形成軸心受壓構(gòu)件。對(duì)立桿伸出頂層水平桿長(zhǎng)度分別為0.1 m～1.0 m情況下的腳手架進(jìn)行了考慮初始缺陷的非線性有限元分析，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同立桿伸出頂層水平桿的長(zhǎng)度下的承載力

由此可以看出，承載能力值隨著a的增加而減小，0.1 m～0.3 m，承載力下降了15%，超過(guò)0.3 m降低的更快，所以施工中對(duì)a值應(yīng)予以控制，建議不要超過(guò)0.3 m。

2.2 不同剪刀撐搭設(shè)方案對(duì)腳手架受力性能的影響

根據(jù)規(guī)范JGJ 130—2011的規(guī)定，滿堂腳手架要求搭設(shè)剪刀撐，剪刀撐有水平剪刀撐和豎向剪刀撐，在實(shí)際施工中，由于存在剪刀撐缺失、搭設(shè)不完全或因施工需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)整等因素，使其并未按照規(guī)范進(jìn)行搭設(shè)。本文采用的剪刀撐與各桿的連接節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化為鉸接，布設(shè)均按規(guī)范布設(shè)，布設(shè)情況為以下幾種：方案a：無(wú)剪刀撐;方案b：滿布水平剪刀撐;方案c：間隔布置水平剪刀撐;方案d：滿布豎向剪刀撐(縱向);方案e：間隔布置豎向剪刀撐(縱向);方案f：滿布豎向剪刀撐(橫向);方案g：間隔布置豎向剪刀撐(橫向)。

由有限元計(jì)算的結(jié)果可以得到各搭設(shè)情況下的滿堂支撐架的失穩(wěn)模態(tài)圖，如圖2所示，由圖可以看出失穩(wěn)均發(fā)生在沿剛度較弱方向的大波鼓曲整體屈曲破壞，無(wú)剪刀撐的支架達(dá)到臨界荷載時(shí)，發(fā)生大波鼓曲，有剪刀撐的支架，支架達(dá)到臨界荷載時(shí)，以上下豎向剪刀撐交點(diǎn)水平面為分界面，上部大波鼓曲，下部變形小于上部，波長(zhǎng)均與剪刀撐設(shè)置，水平約束有關(guān)系。

表3 不同剪刀撐搭設(shè)方案下腳手架的承載力

布設(shè)情況abcdefg穩(wěn)定承載力/kN105．2149140．3263240130120

由表3可以得出，方案b承載能力提高了41.9%，方案c的承載能力為方案a的2.5倍，所以豎向(縱向)剪刀撐對(duì)整體承載能力的影響更為顯著，方案f較方案g僅僅提高了8.3%，所以間隔布置剪刀撐較滿布剪刀撐承載能力的增量差不了太多，實(shí)際施工可以間隔布置剪刀撐，達(dá)到經(jīng)濟(jì)的目的，這些數(shù)據(jù)反映了剪刀撐在腳手架搭設(shè)過(guò)程中的重要性，可以有效提高架體承載能力，防止架體發(fā)生傾覆破壞。

2.3 不同連墻桿搭設(shè)方案對(duì)腳手架受力性能的影響

建筑用腳手架的立桿是直接立在墊板上的，底座沒(méi)有任何約束，設(shè)置連墻桿后，能夠很好的控制平面內(nèi)和平面外的位移，在建模時(shí)連墻桿作為在水平方向的線位移剛性約束，本文采用以下幾種連墻桿的設(shè)置形式，見(jiàn)表4。

表4 連墻桿的設(shè)置對(duì)承載能力的影響

由表4可以得出，減小連墻桿的步距，能夠有效的提高承載力，兩步三跨時(shí)承載能力比三步三跨提高了12.2%，比三步兩跨提高了2.6%。腳手架的失穩(wěn)是一種整體失穩(wěn)，但失穩(wěn)的原因與單根壓桿相仿，所以說(shuō)，腳手架的失穩(wěn)主要是由于立桿的失穩(wěn)引起的，連墻桿的設(shè)置，主要起到了減小壓桿長(zhǎng)度的作用，能夠有效提高單根立桿的極限承載能力。

3 結(jié)語(yǔ)

該結(jié)構(gòu)在特征值分析時(shí)，需要不斷修改外荷載的值，直至屈曲荷載系數(shù)接近1，由于該模型的跨數(shù)較大，非線性屈曲的極限荷載大于一階屈曲模態(tài)的臨界值，說(shuō)明特征值屈曲分析的第一階屈曲模態(tài)不一定是非線性屈曲模態(tài)的上限；根據(jù)變形曲線求解過(guò)程中出現(xiàn)一部分單元的彎曲超過(guò)30°，分析其原因，是由于非線性分析中出現(xiàn)屈服點(diǎn)后(發(fā)生了局部屈曲)，架體對(duì)荷載進(jìn)行了重新分配，直至整個(gè)架體發(fā)生屈曲。如果想要繼續(xù)求得非線性屈曲模態(tài)的上限，可以對(duì)其2階甚至更高階系數(shù)，反復(fù)調(diào)整為1，再計(jì)算并查看相應(yīng)的模態(tài)。

[1] 劉建民，李慧民.扣件式鋼管腳手架框架模型的計(jì)算長(zhǎng)度修正系數(shù)法[J].鐵道建筑，2005(5):87-89.

[2] 陸征然，陳志華，王小盾，等.扣件式鋼管滿堂支撐體系穩(wěn)定性的有限元分析及試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2012，45(1):49-60.

[3] 陳劍波.扣件式鋼管腳手架整體穩(wěn)定性的ANSYS分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2011,9(6):105-108.

[4] 周洪濤，郭志鑫.扣件式鋼管滿堂腳手架ANSYS受力性能分析[J].施工技術(shù)，2013，42(14)：79-80.

[5] JGJ 130—2011，建筑施工扣件式鋼管支撐架安全技術(shù)規(guī)范[S].

[6] 張 濤.ANSYS APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2013:190-193.

[7] 魯 征.扣件式腳手架及模板支架施工期安全性研究[D].杭州:浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005.

Optimizing design of bearing semi-rigid scaffold of Yintao water-supply aqueduct★

Zeng Yaping1Sun Xinjian1,2*Zhu Yunlong3

(1.WaterConservancyandElectricPowerInstitute,QinghaiUniversity,Xining810016,China; 2.StateKeyLaboratoryofHydroscienceandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China; 3.ZhuzhouCityWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Zhuzhou412000,China)

Taking Yintao water-supply engineering as the background, applying ANSYS-OPT, taking initial defects into consideration, the paper establishes semi-rigid three-dimensional scaffold digital model, analyzes factors influencing scaffold bearing capacity, and obtains optimal results, which has significant meaning for similar scaffold design.

semi-rigid, scaffold, bearing capacity, finite element optimizing design

1009-6825(2015)30-0040-03

2015-08-13★:清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(項(xiàng)目編號(hào)：sklhse-2015-C-01);青海大學(xué)高層次人才博士配套科研啟動(dòng)基金(項(xiàng)目編號(hào)：2012-QGC-6)

曾亞平(1992- )，女，在讀碩士； 朱云龍(1989- )，男，助理工程師

孫新建(1976- )，男，博士，碩士生導(dǎo)師，副教授

TV511

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