新型盤扣式升降支撐系統(tǒng)靜力分析

季言濤，徐樹東

（江蘇中淮機(jī)械設(shè)備租賃有限公司，江蘇 淮安 223002）

新型盤扣式升降支撐系統(tǒng)靜力分析

季言濤，徐樹東

（江蘇中淮機(jī)械設(shè)備租賃有限公司，江蘇 淮安 223002）

以一種新型升降支撐系統(tǒng)試驗(yàn)架為研究對象，利用ANSYS軟件對升降支撐系統(tǒng)的整體進(jìn)行了全面力學(xué)特性分析，對該種結(jié)構(gòu)做了整體穩(wěn)定性的研究，對升降支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有了更深的了解。按照搭設(shè)的結(jié)構(gòu)建立有限元模型，利用梁單元模擬結(jié)構(gòu)中的桿件，對升降支撐系統(tǒng)的靜力性能進(jìn)行分析，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，對這一新型結(jié)構(gòu)各方面性能進(jìn)行全面的科學(xué)論證，為更好地推廣這一產(chǎn)品提供一定的理論參考。

升降支撐系統(tǒng)；盤扣式；有限元；靜力分析

1 工程概況

本工程為新型盤扣式升降支撐系統(tǒng)，全鋼結(jié)構(gòu)，桿件采用Q235A鋼管，焊接連接。新型盤扣式升降支撐系統(tǒng)試驗(yàn)架結(jié)構(gòu)為兩跨五步，跨距為7m、步距為1.85m，架體高度為9.25m，寬度為0.9m，使用工況下2層施工，新型盤扣式升降支撐系統(tǒng)試驗(yàn)架主要由水平梁架、豎向主框架及架體構(gòu)架三部分組成，其平面布置圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)架立面圖

2 系統(tǒng)模型建立

盤扣式升降支撐系統(tǒng)所承受的載荷主要有恒載（桿件及起升設(shè)備自重）、活載荷（施工載荷）、風(fēng)載荷等。

1）恒載 升降自重載荷計(jì)算部件應(yīng)包括水平梁架、豎向主框架、連接螺栓、鋼管、連接盤、腳手板、安全網(wǎng)、承力底盤等連接為整體并共同升降的構(gòu)件，其單跨重量具體計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 L=7m、H=9.25m架體自重載荷表

自重線載荷qG=∑Gi/L0=3187×9.8×10-3/7＝4.46kN/m。

2）活載荷 新型盤扣式升降支撐系統(tǒng)在施工中作用在架體上的施工載荷為均布面載荷，該面載荷乘以架體作業(yè)面總寬度1.25m（包括內(nèi)挑平臺），即可換算成線載荷。

主體施工時(shí)：qQ=2×3×1.25=7.5kN/m；

升降及墜落工況時(shí)：q′Q=1×1.25=1.25kN/m。

3）風(fēng)載荷 圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值[2]

式中 βgz—陣風(fēng)系數(shù)，取βgz=1；

μs— 風(fēng)載荷體型系數(shù)[3]，因?yàn)樵谛滦捅P扣式升降支撐系統(tǒng)使用中架體背靠建筑物多為敞開或開洞，故有μs=1.3φ=1.3Ad/Ay，Ad/Ay為架體的擋風(fēng)面積/架體的迎風(fēng)面積，新型盤扣式升降支撐系統(tǒng)用密目式安全網(wǎng)圍護(hù)，其擋風(fēng)系數(shù)為0.8,即μs=1.3×0.8=1.04；

μz— 風(fēng)壓高度變化系數(shù)，據(jù)參考文獻(xiàn)[3]第7.2條，本文按照150m以下的高層建筑考慮,則取μz=1.61；

ω0— 基本風(fēng)壓值(kN/m2)，據(jù)附表D4[3]，常州地區(qū)50年一遇的基本風(fēng)壓為ω01=0.4kN/m2，將其作為使用工況基本風(fēng)壓，在升降及墜落工況中的基本風(fēng)壓[3]可取為ω02=0.25kN/m2。

則本新型盤扣式升降支撐系統(tǒng)風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值為:

使用工況中：

wk1=1×1.04×1.61×0.4=0.67kN/m2;

升降、墜落工況中：

wk2=1×1.04×1.61×0.25=0.42kN/m2。

當(dāng)架體總高度H0=9.25m時(shí)，沿架體長度方向的風(fēng)載線載荷為：

使用工況中：

w1=wk1H0=0.67×9.25=6.2kN/m;

升降、墜落工況中：

w2=wk2H0=0.42×9.25=3.88kN/m。

當(dāng)架體總寬度B=0.9m時(shí)，垂直線風(fēng)載荷為：

使用工況中：

w1=w01H0=0.67×0.9=0.6kN/m；

升降、墜落工況中：

w2=w02H0=0.42×0.9=0.378kN/m。

4）墜落沖擊與升差載荷 在墜落工況中，新型盤扣式升降支撐系統(tǒng)架體、機(jī)具及防墜落裝置均受到墜落沖擊載荷的作用。墜落沖擊載荷按以下方法計(jì)算[4]

式中 γ2——附加載荷不均勻系數(shù)，γ2=2；

F0—— 升降中機(jī)位最大靜載荷，據(jù)表4-2[4]知qG、q′Q，即有F0max=(qG+q′Q)× L0=(4.992+1.25)×7=43.69kN，則知FZ=2×43.69=87.38kN。

新型盤扣式升降支撐系統(tǒng)經(jīng)過網(wǎng)格劃分后的整體有限元模型如圖2所示，分析可得新型盤扣式升降支撐系統(tǒng)的有限元模型包含1 029個(gè)單元。

圖2 有限元模型立體圖

3 有限元靜力分析

3.1 安全性判定準(zhǔn)則

新型盤扣式升降支撐系統(tǒng)采用Q235鋼管制造，其屈服強(qiáng)度為235MPa，抗拉、抗壓和抗彎的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為205MPa。在有限元應(yīng)力計(jì)算中，主要選用Von Mises應(yīng)力作為應(yīng)力判定標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)桿件變形量有控制要求時(shí)，應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算其變形量。根據(jù)JGJ 231-2010《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》，受彎桿件的撓度限值為L/150或10mm，本支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型受彎桿件最長的長度為1 850mm，因此新型盤扣式升降支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)撓度限值為[ζ]=10mm。

3.2 各工況結(jié)果分析

本文采用考慮半剛性連接的模型，架體加載求解是采用正常使用和極限承載兩種工況組合：各個(gè)工況包括兩種載荷組合：Z向垂直載荷；Z向垂直載荷+X向水平載荷，在此主要分析第二種載荷組合。

1）正常使用工況 當(dāng)盤扣式升降支撐系統(tǒng)承受Z向垂直載荷和X向水平載荷組合作用時(shí)，其最大應(yīng)力為112MPa，最大位移為5.08mm，應(yīng)力和位移均滿足要求。

2）極限承載工況 當(dāng)盤扣式升降支撐系統(tǒng)承受Z向垂直載荷和X向水平載荷組合作用時(shí)，達(dá)到桿件位移極限值時(shí)的臨界載荷為114.28kN，此時(shí)應(yīng)力最大值為156MPa，架體的變形為無側(cè)移框架對稱變形，最大位移點(diǎn)出現(xiàn)在頂層橫桿上，X向位移最大值為7.924mm,Y向位移最大值為0.684mm，Z向位移最大值為6.597mm。分析數(shù)據(jù)表明，支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)承受水平載荷時(shí)，最大承載力較小，且局部變形已達(dá)最大變形量要求，X向變形較大，這是因?yàn)樯抵蜗到y(tǒng)結(jié)構(gòu)承受了正面的水平載荷，但是由于附著結(jié)構(gòu)和連墻桿的左右，X向沒有產(chǎn)生很大的位移，但是局部已失穩(wěn)。

4 有限元與理論計(jì)算結(jié)果比較

有限元計(jì)算的結(jié)果如上節(jié)所示，為了更準(zhǔn)確的研究盤扣式升降支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用有限元結(jié)算和理論計(jì)算相比較的方法。盤扣式升降支撐系統(tǒng)是由焊接鋼管、連接盤和插銷連接組成空間桁架結(jié)構(gòu)，對于這種體系的穩(wěn)定計(jì)算問題，主要通過確定受壓立桿的計(jì)算長度及穩(wěn)定承載力來研究整個(gè)支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，整個(gè)支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的極限承載力主要通過常用理論計(jì)算方法反推來獲得，常用的理論計(jì)算方法如下。

1）概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 根據(jù)JGJ130-2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》中的要求，采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法對支撐系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。本文所描述的盤扣式升降支撐系統(tǒng)整體穩(wěn)定問題簡化成單立桿的穩(wěn)定問題，其立桿穩(wěn)定性應(yīng)按以下公式計(jì)算。

φ— 軸心壓桿的穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)長細(xì)比λ=μh/r=0.5×1850/15.8=58.5，查表知φ=0.849；

fc— 立柱穩(wěn)定承載力的設(shè)計(jì)值，fc＝205MPa。

本次計(jì)算采用不考慮風(fēng)載荷計(jì)算公式，利用反推法可得N≤φAfc＝0.849×357×205＝62.13kN,所以此計(jì)算方法得到的支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的極限承載力Fmax＝62.13kN。

2）參考格構(gòu)柱、鋼框架整體失穩(wěn)的計(jì)算方法 盤扣式升降支撐系統(tǒng)是由立桿、縱向水平桿和橫向水平桿組成的多層多跨“空間框架結(jié)構(gòu)”，所以其整體穩(wěn)定計(jì)算可以參考格構(gòu)式柱或鋼框架失穩(wěn)來考慮。

新型盤扣式升降支撐系統(tǒng)的層高與總高之比小于1/5，所以可以參考格構(gòu)柱、鋼框架整體失穩(wěn)的計(jì)算公式[5]，其計(jì)算公式為

式中 PE——立桿臨界載荷;

E——立桿的彈性模量;

I——立桿垂直截面的整體慣性矩，I=8Fl2；

F——立桿截面面積；

H——支架高度；

A——構(gòu)架的某一層在剪切力作用下所產(chǎn)生的單位水平位移，

k——扣件彈性撓曲系數(shù)，取0.000 5mm/N;

l——單孔支架寬度;

h——每格支架高度;

θ——斜腹桿與水平桿夾角。

經(jīng)計(jì)算可得I=2.31×109mm4；H=9250mm；θ=39°；s=2380mm；A=2×10-5m；PE=89.64kN。

通過以上對支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算，格構(gòu)柱、鋼框架整體失穩(wěn)的計(jì)算方法與有限元數(shù)值結(jié)果基本一致，因此在實(shí)際工程中可以將此方法作為理論分析結(jié)果來參考比較。

5 結(jié) 論

本文將兩種載荷組合作用于新型盤扣式升降支撐系統(tǒng)的有限元模型上，分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移都滿足規(guī)范的要求。增加豎向載荷得出結(jié)構(gòu)的極限承載力為318.47kN，當(dāng)承受風(fēng)載荷時(shí)極限承載力為114.28kN。最后，將有限元計(jì)算得出的新型盤扣式升降支撐系統(tǒng)穩(wěn)定極限承載力和各種理論計(jì)算值相比較，發(fā)現(xiàn)格構(gòu)柱、鋼框架整體失穩(wěn)的計(jì)算方法在實(shí)際工程中可以作為理論分析方法參考比較。

[1]JGJ 130-2011，建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范[S].

[2]GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范[S].

[3]JGJ 202-2010，建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范[S].

[4]JGJ 231-2010，建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程[S].

[5]黃 群.大跨混凝土結(jié)構(gòu)中扣件式鋼管模板支撐架設(shè)計(jì)匯[D].杭州:浙江大學(xué)，2005.

[6]糜嘉平.我國新型腳手架的發(fā)展動(dòng)向[M].北京:中國建筑出版社，1998.

[7]劉宗仁，涂新華，丁永勝.扣件式鋼管腳手架臨界力下限計(jì)算方法[J].建筑技術(shù)，2001，32(8)：541-543.

[8]姜傳庫.淺談我國模板和腳手架工程的專業(yè)化問題[J].施工技術(shù)，2000，(3)：8-10.

[9]肖 毅.新型盤式鋼管腳手架的應(yīng)用研究[D].昆明:昆明理工大學(xué)，2012.

[10]劉家彬，郭正興.扣件鋼管架支模的安全性[J].施工技術(shù)，2002，31(3)：9-11.

（編輯 賈澤輝）

Static analysis of new button lifting support system

JI Yan-tao, XU Shu-dong

TU392.3；TU731.2

B

1001-1366(2015)01-0055-04

2014-10-31