附著式升降腳手架的受力分析與有限元分析

李秋生　白欣

摘 要：文章以附著式腳手架為研究對(duì)象，建立三維實(shí)體模型，對(duì)腳手架不同狀態(tài)下進(jìn)行載荷分析，利用有限元分析軟件對(duì)重點(diǎn)受力部位進(jìn)行模擬分析，驗(yàn)證了計(jì)算過(guò)程的正確性和系統(tǒng)的安全性，為腳手架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：附著式升降腳手架；受力分析；有限元分析

附著式升降腳手架由于在工作過(guò)程中具有裝卸方便、承受載荷較大、架體的剛度和強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為建筑施工領(lǐng)域應(yīng)用最多的一種腳手架。遺憾的是也許出于對(duì)專利技術(shù)的保護(hù)，在國(guó)內(nèi)外權(quán)威出版機(jī)構(gòu)和報(bào)刊上很少見(jiàn)到對(duì)腳手架設(shè)計(jì)的資料書(shū)籍，這就給工程人員的研究設(shè)計(jì)造成了不便。文章就當(dāng)前工程現(xiàn)場(chǎng)所用腳手架結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析的探討，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 腳手架結(jié)構(gòu)組成

附著式升降腳手架系統(tǒng)的組成如圖2所示，主要有以下幾部分

（1）架體主結(jié)構(gòu)：由導(dǎo)軌主框架、橫向水平桿、縱向水平桿、角鋼，承重底板、側(cè)面立桿等構(gòu)成。架體主結(jié)構(gòu)一般為一個(gè)整體剛性結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)安裝完成后直接使用。

（2）升降系統(tǒng)：由上、下吊點(diǎn)，提升設(shè)備，連接部件（螺栓等）構(gòu)成。

（3）防墜系統(tǒng)：每個(gè)附墻點(diǎn)處均設(shè)有獨(dú)立的擺針式防墜裝置，每個(gè)主框架至少有3個(gè)獨(dú)立附墻點(diǎn)，即有至少三套防墜裝置，采用防墜落理念。

（4）電氣控制系統(tǒng)：由總控箱、分控箱、遙控系統(tǒng)構(gòu)成。

本升降腳手架的升降采用電動(dòng)葫蘆升降，并配設(shè)專用電氣控制線路。該控制系統(tǒng)設(shè)有漏電保護(hù)、錯(cuò)斷相保護(hù)、失載保護(hù)、正、反轉(zhuǎn)、單獨(dú)升降、整體升降和接地保護(hù)等裝置，且有指示燈指示。線路繞建筑物一周布設(shè)在架體內(nèi)。

（5）架體防護(hù)：隨架體搭設(shè)同步完成的安全防護(hù)措施， 包括有底部密封板、翻板、立網(wǎng)、水平兜網(wǎng)、護(hù)身欄桿等構(gòu)成。

架體安全裝置主要包括附著支承結(jié)構(gòu)、防傾覆裝置、防墜落裝置、有效的安全防護(hù)措施。其中附著支承結(jié)構(gòu)是直接與工程結(jié)構(gòu)連接，承受并傳遞腳手架荷載的支承結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)向座、承重立桿等結(jié)構(gòu)，是附著升降腳手架的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。

2 腳手架載荷計(jì)算

腳手架所受載荷主要分為永久性載荷與可變載荷，可變載荷與腳手架的使用狀態(tài)有關(guān)，架體在投入使用后主要分為正常使用狀態(tài)、升降狀態(tài)與墜落狀態(tài)三種狀態(tài)，下面就這幾種狀態(tài)對(duì)其所受載荷進(jìn)行計(jì)算。

2.1 永久荷載的計(jì)算

永久荷載包括架體部分、工作過(guò)程中所用到的設(shè)備、裝置等的自重。按《建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》JGJ 202-2010 及其他國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

經(jīng)計(jì)算腳手架自重標(biāo)準(zhǔn)值為7.068kN。

2.2 可變載荷的計(jì)算

按照《附著式升降腳手架管理暫行規(guī)定》，使用狀態(tài)下，按每層受載為3.0kN/m2計(jì)算載荷；升降或墜落狀態(tài)下，按每層受載為0.5kN/m2計(jì)算載荷。

2.2.1 在使用狀態(tài)下施工活荷載的計(jì)算

腳手架的計(jì)算面積：0.6779×4=2.7m2

總施工活荷載為：3.0×2×2.71=13.26kN

2.2.2 在升降和墜落狀態(tài)下施工活荷載的計(jì)算

活荷載為：0.5×2×2.71=2.71kN

即在正常施工狀態(tài)下的活荷載為13.26kN，腳手架自重為 7.068kN

2.3 總荷載 S的計(jì)算

S=γ×（γG×GK+γQ×QK）

式中：γG-永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，取為1.2；GK-腳手架自重；γQ-可變荷載分項(xiàng)系數(shù)，取為1.4；QK-可變荷載組合系數(shù)，取為0.85；γ-荷載變化系數(shù)，使用狀況下荷載變化系數(shù)取為γ1=1.3；升降工況下取γ2=2.0。

正常施工狀態(tài)下總荷載為：

F=1.3×（1.2×7.068+0.85×1.4×13.26）=35.2kN

正常升降狀況總荷載為

F=2.0×（1.2×7.068+0.85×1.4×2.71）=24.6kN

顯然，在正常工作狀態(tài)下總荷載更大。

3 重要部位受力分析與校核

根據(jù)上述推算可知，在正常工作狀態(tài)下總荷載更大。因此，分別就正常工作狀態(tài)或在正常工作過(guò)程中發(fā)生突然性的墜落情況下，對(duì)腳手架主要受力部位進(jìn)行計(jì)算校核，若計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，則在正常升降過(guò)程中結(jié)構(gòu)各部分的強(qiáng)度亦可滿足要求。

3.1 正常工作狀況

材料為Q235A，規(guī)格是？準(zhǔn)48×3.5mm的腳手架鋼管截面力學(xué)特性如下：

（1）截面積Ao=4.89cm2；（2）慣性矩Io=12.19cm4；（3）抵抗矩Wo=5.08cm3；（4）慣性半徑i=1.58cm；（5）抗拉、抗彎、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[f1]=200N/mm2；（6）抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[f2]=115N/mm2。

本腳手架結(jié)構(gòu)共有六步，每步高度為1.75米，由其工作狀態(tài)可知，最下層的兩步所受力最大，此處對(duì)最下層的兩步進(jìn)行受力分析。最下層承重桿及其固定螺栓的校核如下。承重桿與導(dǎo)軌桿之間相互擠壓，所受力為相互作用力，大小相等且方向相反，承重桿與固定螺栓間受力關(guān)系如圖3。擠壓載荷以求出為17841N，有效擠壓面積3.14×12×12=452mm2，擠壓應(yīng)力P4為17841N/452mm2=39.5N/mm2<[f1]=200N/mm2，故承重桿也滿足強(qiáng)度條件承重桿處固定螺栓所受載荷為17841N/2=8920.5N，有效擠壓面積為7×16=112mm2，則螺栓與承重桿底桿的擠壓應(yīng)力P5和P6相等，其方向位置示意如圖3，均為8920.5N/112mm2=79.6N/mm2<[f1]=200N/mm2，故螺栓可以滿足擠壓。同時(shí)固定螺栓還受到剪切力，有效剪切面積為3.14×16×16=804mm2，每處所受剪切力為17841N/2=8920.5N，則剪切應(yīng)力為8920.5N/804mm2=11.1N/mm2<[f2]=115N/mm2。

3.2 墜落狀況

3.2.1 基本載荷的計(jì)算校核

由于工程實(shí)際中工作狀況復(fù)雜，可能出現(xiàn)活載荷突然增大、螺栓部位連接松動(dòng)、連接件脫落、構(gòu)件銹蝕強(qiáng)度降低以至于架體承重失效，出現(xiàn)墜落等情況，為保證施工人員和財(cái)產(chǎn)安全有必要對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行墜落狀況的校核分析，本腳手架的預(yù)定最大墜落高度為150mm，墜落時(shí)間由S=1/2at2，解得墜落時(shí)間t=0.17s，制動(dòng)前瞬間架體的整體速度v為：v=g×t=9.8N/m2×0.17s=1.67m/s，墜落狀況下，防墜器與導(dǎo)軌橫梁之間相互擠壓，產(chǎn)生巨大的沖擊力，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求較大，通常是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能否滿足工作要求的極端條件，防墜器在短時(shí)間進(jìn)行制動(dòng)，可認(rèn)為制動(dòng)時(shí)間為0.05s，由動(dòng)量定理可得制動(dòng)力Fz滿足F×△t=m×△v，帶入已知數(shù)值可求的制動(dòng)力Fz=59840N。

3.2.2 導(dǎo)軌桿的校核

導(dǎo)向座連接墻體與腳手架架體，為主要承力部件，如圖4。當(dāng)發(fā)生突然墜落情況時(shí)，防墜器與導(dǎo)軌桿相互擠壓產(chǎn)生巨大的抗力進(jìn)行制動(dòng)。

（1）導(dǎo)軌桿的剪切強(qiáng)度計(jì)算。導(dǎo)軌桿橫截面積為1/4×3.14×（38×38-31×31）=380mm2，59841N/2=29920.5N，則所受剪切力為29920.5N/380mm2=78.7N/mm2<[f2]=115N/mm2，滿足剪切效應(yīng)下的強(qiáng)度條件。

（2）導(dǎo)軌桿的擠壓強(qiáng)度計(jì)算。防墜器與導(dǎo)軌桿相互擠壓，制動(dòng)時(shí)間較短，制動(dòng)力較大且為相互作用力，大小相等方向相反，制動(dòng)載荷為59840N，有效擠壓面積78×4=312mm2，則擠壓應(yīng)力為59840N/234mm2=189/mm2<[f1]=200N/mm2，故承重桿也滿足強(qiáng)度條件。

腳手架整體各部位在墜落情況下具有相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，及各個(gè)零部件的速度和加速度在任何時(shí)候均相等，故各部位所受的制動(dòng)力相比正常工作狀況下的載荷擴(kuò)大相同的比例，我們已經(jīng)對(duì)承壓最大的部位進(jìn)行了計(jì)算校核并滿足強(qiáng)度條件，則其余承壓較小的部位自然也滿足強(qiáng)度條件，不再重復(fù)計(jì)算。

4 ANSYS分析結(jié)果和結(jié)論

將三維模型導(dǎo)入ANSYS，材料屬性全部按照實(shí)際生產(chǎn)選用材料設(shè)定。另外，為了避免在分析過(guò)程中出現(xiàn)意外中斷，銷軸的外徑與鉸接孔徑相同，均為面接觸。

4.1 承重桿及其固定螺栓的校核驗(yàn)算

從圖5的結(jié)果可以看出，承重桿及其固定螺栓所受到的應(yīng)力均較小，最大應(yīng)力均不超過(guò)58.566MP，而承重桿和固定螺栓材料的許用壓應(yīng)力值為200N/mm2，需用剪切應(yīng)力為115N/mm2，故可知承重桿及其固定螺栓均滿足強(qiáng)度條件，同時(shí)證明上述理論計(jì)算結(jié)論正確。

從圖6可以看出，承重桿在載荷作用下會(huì)有一些微變形，其中最接近導(dǎo)軌橫桿的頂桿部位形變較大，但仍然滿足工程的使用條件。

4.2 腳手架架體的受力校核計(jì)算

導(dǎo)軌處的豎桿所受載荷最大，故對(duì)其進(jìn)行Ansys的分析校核。

圖7是附著式升降腳手架的豎桿在Ansys軟件中的應(yīng)力圖，由圖可知豎桿由低端到頂端的應(yīng)力呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，低端所受的最大應(yīng)力整體不超過(guò)材料的許用拉、壓和抗彎應(yīng)力200MP，及滿足擠壓和抗彎強(qiáng)度條件，與理論計(jì)算結(jié)論相符。圖8是附著式升降腳手架的豎桿在Ansys軟件中分析得到的整體變形圖，由圖8所示情況，可明顯看出，在豎桿的底端所受載荷大，因而變形最大但整體不影響腳手架的正常使用。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)計(jì)算得出附著式升降腳手架在正常升降工況時(shí)所受載荷最大。（2）通過(guò)對(duì)附著式升降腳手架重要受力部位進(jìn)行受力分析得出均滿足強(qiáng)度條件。（3）利用有限元分析軟件對(duì)腳手架系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，其結(jié)果與理論分析結(jié)果極為吻合，說(shuō)明了計(jì)算過(guò)程和方法的正確性。經(jīng)過(guò)分析，承重桿在最接近導(dǎo)軌橫桿的頂桿部位形變較大，豎桿由低端到頂端的應(yīng)力呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，為今后附著式腳手架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1]JGJ202-2010.建筑施工工具室腳手架安全技術(shù)規(guī)范[S].

[2]JGJ 59-2011.建筑施工安全檢查標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]建筑監(jiān)督檢測(cè)與造價(jià)[J].2008，1（4）：43.

[4]導(dǎo)座式附著升降腳手架施工技術(shù)[J].

[5]附著升降腳手架設(shè)計(jì)和使用管理暫行規(guī)定[S].2000.

[6]陳鵬，黃光標(biāo).附著式升降腳手架安全管理技術(shù)要點(diǎn)[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

作者簡(jiǎn)介：李秋生（1959-），男，教授，河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院院長(zhǎng)，碩士生導(dǎo)師，承擔(dān)多次省級(jí)和市級(jí)科研項(xiàng)目，國(guó)家專利11項(xiàng)，發(fā)表論文50余篇。