附著式升降腳手架腳手板的力學(xué)性能研究

曾淑琴

(廣東志特新材料集團(tuán)有限公司,廣東 中山 528437)

附著式升降腳手架是一種新型的外墻腳手架操作平臺,俗稱“爬架”或“智能升降平臺”。附著式升降腳手架相比于傳統(tǒng)腳手架,可利用自身的升降動力設(shè)備實(shí)現(xiàn)逐層爬升的功能,大大提高了自身的機(jī)動性,節(jié)省了人力成本,提高了材料周轉(zhuǎn)率,廣泛應(yīng)用于目前的高層建筑施工過程中[1-2]。全鋼附著式升降腳手架作為一種新型產(chǎn)品,將高處作業(yè)變?yōu)榈吞幾鳂I(yè),將懸空作業(yè)變?yōu)榧荏w內(nèi)部作業(yè),具有顯著的經(jīng)濟(jì)性、安全性、便捷性、低碳性等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為了腳手架市場的主體產(chǎn)品[3-5]。

全鋼附著式升降腳手架主要由立桿、導(dǎo)軌、附墻支座、安全立網(wǎng)、水平支承結(jié)構(gòu)、腳手板、提升機(jī)構(gòu)、同步控制裝置等組成。腳手板是全鋼附著式升降腳手架主要組成部分之一,施工人員可在其上行走、工作,可以放置工作所需的工具、材料[3]372。

目前市面上的腳手板的結(jié)構(gòu)形式主要有角鋼邊框型和矩形管邊框型兩種形式。不同結(jié)構(gòu)形式的腳手板會有不同的力學(xué)性能;同時(shí)由于腳手板往往有多重不同的規(guī)格和排布,在腳手板與腳手板連接處變形最大,結(jié)構(gòu)形式的不同引起的變形也不同。目前各廠家多根據(jù)經(jīng)濟(jì)性角度及經(jīng)驗(yàn)來選擇項(xiàng)目用何種腳手板,尚未有文獻(xiàn)針對兩種腳手板的差別作對比分析。

本文通過有限元軟件ANSYS對這兩種類型的腳手板及裝有這兩種腳手板的附著式升降腳手架進(jìn)行了靜力學(xué)分析,從豎向荷載引起的最大變形和抵抗風(fēng)荷載的強(qiáng)度兩個(gè)方面進(jìn)行了對比研究,給出了這兩種類型腳手板的差別,給工程實(shí)際應(yīng)用作參考。

1 腳手板對接位置變形研究

1.1 兩種腳手板介紹

腳手板結(jié)構(gòu)圖見圖1。腳手板構(gòu)件參數(shù)表見表1。

1.2 有限元計(jì)算模型

所選取的計(jì)算模型為長度為2 m的2塊腳手板中間采用螺栓連接而成(見圖2)。模型中桿件采用Beam188[6]單元,腳手板面板采用Shell181[6]11單元進(jìn)行模擬,架體構(gòu)件均采用Q235-B鋼材,容許應(yīng)力為205 MPa[7],材料參數(shù)參見表2,架體材料截面尺寸見表1[8]。

表1 腳手板構(gòu)件參數(shù)表

表2 模型材料參數(shù)

1.3 邊界條件

爬架的立桿間距為2 m,立桿與在每塊腳手板的縱向邊框正中間連接,研究對象為正中間螺栓連接位置的變形。螺栓連接位置采用剛性耦合ux,uy,uz三個(gè)移動自由度,腳手板與立桿的連接位置約束三個(gè)移動自由度,為了不受兩邊懸臂段的影響,將兩端頭四個(gè)角點(diǎn)也約束三個(gè)移動自由度。兩邊裝有連接板時(shí),腳手板縱向邊框可看成是連續(xù)梁,可將斷開處兩邊的腳手板邊框節(jié)點(diǎn)耦合6個(gè)自由度模擬。根據(jù)JGJ 202—2010建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范[10],活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取3 kN/m2,這里只研究變形,故加載時(shí)施加活荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

1.4 變形結(jié)果

角鋼腳手板變形見圖3,矩管腳手板變形見圖4。

腳手板變形結(jié)果匯總見表3。

1.5 變形結(jié)果分析

在腳手板側(cè)邊同樣裝有連接板或未裝連接板情況下,矩管腳手板變形均明顯比角鋼腳手板小;在腳手板連接處加裝連接板,可顯著減小腳手板向下的變形。

角鋼腳手板側(cè)邊裝有連接板時(shí)變形和矩管走道板側(cè)邊未裝有連接板時(shí)十分接近。且此時(shí)變形較小,建議實(shí)際項(xiàng)目若采用矩管腳手板,可視需要考慮是否加裝側(cè)面連接板,角鋼腳手板變形略大,建議側(cè)面加裝連接板。

最大變形位置在腳手板面板處,根據(jù)JGJ 202—2010建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范[10]16的要求,跨度為2 m,腳手板的容許變形為[ΔL]={2 000/150,10}=10 mm,以上計(jì)算中的4種情況的變形均符合JGJ 202—2010建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范要求。

2 腳手板承載能力性能研究

2.1 有限元模型

風(fēng)荷載作用在爬架的安全立網(wǎng)上,立網(wǎng)與爬架的立桿相連,會將荷載直接傳遞到立桿上,立桿再將荷載傳遞至腳手板,為了更真實(shí)地得到腳手板的承載能力性能,本節(jié)建模了爬架整體三維模型來計(jì)算(見圖5),由于不關(guān)注變形,腳手板在斷開處按照連續(xù)構(gòu)件來處理,連接處的兩根橫向邊框當(dāng)橫肋來處理。

所取附著式升降腳手架每榀外排高度13.5 m,內(nèi)排高度12 m,架體寬度0.6 m,水平機(jī)位跨度取3個(gè)跨度,共18 m。使用有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模分析,模型中桿件采用Beam188[6]7單元,腳手板面板采用Shell181[6]11單元進(jìn)行模擬,防護(hù)網(wǎng)的自重和風(fēng)荷載均施加到外立桿上,未建模防護(hù)網(wǎng),螺栓連接采用理想剛接模擬,架體構(gòu)件均采用Q235-B鋼材,容許應(yīng)力為205 MPa[7]10,材料參數(shù)參見表4,架體材料截面尺寸見表5[8]47。

表4 模型材料參數(shù)

表5 附著式升降腳手架構(gòu)件尺寸表

2.2 邊界條件

附著式升降腳手架在使用工程中主要存在兩種工況,即提升工況與使用工況,使用工況風(fēng)荷載大,腳手板受力更惡劣,故本節(jié)只計(jì)算使用工況。使用工況每個(gè)機(jī)位安裝有3道附墻支座,其中上面兩道附墻支座僅做水平約束(x向,z向約束),最下面一道附墻支座作卸荷約束(y向約束)。

按照J(rèn)GJ 202—2010建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范計(jì)算需要考慮以下兩種荷載組合:1)恒荷載+施工活荷載;2)恒荷載+0.9(施工活荷載+風(fēng)荷載),從實(shí)際計(jì)算來看,風(fēng)荷載為主要影響因素,故本文僅校核有風(fēng)荷載組合的情況,僅考慮防護(hù)網(wǎng)迎風(fēng)面承受風(fēng)荷載情況。強(qiáng)度校核的荷載組合按如下公式:

S=1.3×(1.2SGk+0.9×1.4SQk)(↓)+0.9×1.4Swk(→)

(1)

其中,SGk為恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值;SQk為使用工況活荷載標(biāo)準(zhǔn)值;Swk為建筑物所在地十年一遇風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值;(↓)為豎向荷載;(→)為水平荷載。

根據(jù)JGJ 202—2010建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范[10]13,風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值采用式(2)計(jì)算:

Wk=βz·μz·μs·w0

(2)

其中,Wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2;βz為風(fēng)陣系數(shù),此處取1.0;μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù),按照GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[11]確定,此處按B類地貌100 m樓高取值2.0;μs為腳手架防護(hù)網(wǎng)體型系數(shù),按JGJ 202建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范給的計(jì)算和取值方式取1.04(擋風(fēng)系數(shù)取0.8,建筑物類型為四面透風(fēng)類型);w0為基本風(fēng)壓,使用工況取建筑物所在地十年一遇基本風(fēng)壓,此處取0.45 kN/m2。

經(jīng)計(jì)算使用工況:

Wk=βz·μz·μs·w0=0.936 kN/m2。

采用ANSYS有限元軟件中的Acel命令對模型施加重力加速度來模擬自重荷載,考慮到實(shí)際施工中,人員多在頂層作業(yè),因此活荷載在ANSYS中以均布節(jié)點(diǎn)力的形式施加到頂上兩層腳手板的節(jié)點(diǎn)上。風(fēng)荷載直接作用到防護(hù)網(wǎng)片上,防護(hù)網(wǎng)與立桿直接連接,風(fēng)荷載通過防護(hù)網(wǎng)傳遞至外排立桿上,故模型中未建模防護(hù)網(wǎng),將風(fēng)荷載直接施加到外排立桿上。對架體而言,由于不考慮防護(hù)網(wǎng)對結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)作用,計(jì)算更偏保守。

2.3 應(yīng)力結(jié)果

矩管腳手板應(yīng)力結(jié)果見圖6,角鋼腳手板應(yīng)力結(jié)果見圖7,角鋼腳手板邊框應(yīng)力詳圖見圖8,腳手板變形結(jié)果匯總見表6。

表6 腳手板變形結(jié)果匯總

2.4 應(yīng)力結(jié)果分析

腳手板的最大應(yīng)力在其縱向邊框上,同樣荷載條件下,矩管腳手板強(qiáng)度明顯比角鋼腳手板小。在文中的計(jì)算條件下,角鋼腳手板和矩管腳手板的最大應(yīng)力均小于205 MPa,符合JGJ 202—2010建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范[10]43要求。

從角鋼腳手板邊框應(yīng)力詳圖可以看到,腳手板的邊框應(yīng)力最大處向腳手板中心內(nèi)凹,很明顯存在側(cè)向彎矩,主要原因風(fēng)荷載使腳手板水平方向產(chǎn)生變形,同時(shí)在導(dǎo)軌約束處形成側(cè)彎。角鋼的抗側(cè)彎截面系數(shù)很低,因而導(dǎo)致角鋼腳手板邊框應(yīng)力大。對比而言矩形抗側(cè)彎性能明顯優(yōu)于角鋼,因而計(jì)算得到的應(yīng)力顯著比角鋼腳手板的小。故在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值大于本文計(jì)算值的場合,不建議采用角鋼邊框腳手板。

3 結(jié)語

利用有限元軟件ANSYS對附著式腳手架的4種腳手板模型和2種整體模型進(jìn)行了靜力計(jì)算,得到了變形結(jié)果和強(qiáng)度結(jié)果,主要結(jié)論如下:

1)角鋼腳手板變形明顯比矩管腳手板大,腳手板連接處加連接板可顯著減小變形。

2)角鋼腳手板、矩管腳手板有連接板或無連接板最大變形均符合JGJ 202—2010建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范要求。

3)角鋼腳手板應(yīng)力明顯比矩管腳手板大,主要原因是角鋼的抗側(cè)彎性能比矩管低,故在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值大于文中計(jì)算值時(shí),不建議采用角鋼邊框腳手板。