落地式救生器支架的力學(xué)性能分析和加強(qiáng)措施驗(yàn)證

左茜，華淵

（江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，無錫214122）

落地式救生器支架的力學(xué)性能分析和加強(qiáng)措施驗(yàn)證

左茜，華淵

（江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，無錫214122）

為了提高落地式救生器支架的安全性和可靠性，利用DH-3816靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)采集救生器支架靜力加載447 kg時(shí)各構(gòu)件的最大應(yīng)力值，分析救生器支架的結(jié)構(gòu)安全性，提出對薄弱構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明，加載到447 kg時(shí)擋桿的最大應(yīng)力達(dá)到所用材料極限抗拉強(qiáng)度的75%，已屈服失效，擋桿為薄弱構(gòu)件。應(yīng)用商用有限元，模擬了靜力加載過程，所得結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分吻合。提出了將擋桿直徑由10 mm增大到20 mm的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，仿真模擬計(jì)算結(jié)果表明，該方案可有效提高救生器支架的安全性和可靠性。

救生器支架；靜力加載試驗(yàn)；有限元分析；加強(qiáng)措施

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，建筑物高度不斷增加，帶來高層建筑物如學(xué)校、醫(yī)院、高層住宅及養(yǎng)老院等，在緊急情況下不能及時(shí)逃生的隱患［1］。高層自救逃生器是應(yīng)對城市高層建筑發(fā)生火災(zāi)等突發(fā)情況時(shí)群眾自救逃生的設(shè)備［2］，可實(shí)現(xiàn)高樓逃生簡便快捷，減少意外事故的發(fā)生［3-5］。常見的救生器由緩降裝置和支架組成，緩降裝置及支架的安全性決定了救生器的安全性。

目前應(yīng)用較多的高層救生器均需與建筑物連接或利用建筑物固有的裝置。張蕊華等［6-7］提出了安裝在室內(nèi)外墻壁或靠近窗臺處的高層救生減速裝置。閔永林等［8］提出將高層救生器的掛鉤板聯(lián)接在室內(nèi)固定物或涼臺欄桿上，把救生器懸于樓外。與建筑物的連接方式又分為與室外墻體、與室內(nèi)墻體和室內(nèi)地板連接三種。韓國的救生器支架主要是與室內(nèi)墻體連接。固定在室外墻體的救生器，操作不便，雨水腐蝕后可影響其可靠性，實(shí)際應(yīng)用較少；與室內(nèi)墻體和室內(nèi)地板連接的救生器，分別為與室內(nèi)墻體連接的懸掛式救生器與地板連接的落地式救生器。具有在室內(nèi)操作簡單、使用方便、連接可靠安全等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。

目前，國內(nèi)外的多種高樓救生設(shè)備，主要研究熱點(diǎn)是固定于建筑物墻體上的懸掛式高樓緩降救生器［9］，對支架救生器的研究較少。由于一些建筑結(jié)構(gòu)的特殊性，支架救生器具有懸掛式救生器的不可替代性。落地式救生器的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的安全性和可靠性是十分重要的內(nèi)容，因此，有必要對救生器支架的安全性進(jìn)行分析。

以落地式救生器支架為研究對象，采用靜力加載試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際逃生過程，量測支架在承受不同加載時(shí)其關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變，利用有限元方法進(jìn)行仿真分析，目的是對這類救生支架的安全性進(jìn)行評價(jià)，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)找出此類支架各構(gòu)件上的薄弱構(gòu)件，提出對薄弱構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)制造方案。

1 材料與方法

1.1 救生器支架

落地式救生器支架主要由懸臂梁、可升降柱子、固定柱子、底座四部分組成。如圖1所示，圖1-（a）為停用狀態(tài)，圖1-（b）為逃生使用狀態(tài)。

圖1 救生器支架Fig.1Life-saving device support

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及分析軟件

采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為靜態(tài)電阻測試系統(tǒng)，有限元分析軟件為ANSYS10.0。

1.3 支架受力分析和應(yīng)變布置方案

支架各構(gòu)件受力分析如圖2所示，圖中數(shù)字為應(yīng)變片粘貼標(biāo)記數(shù)字。由受力分析確定各構(gòu)件最大應(yīng)力位置，并在最大應(yīng)力位置及其他位置共粘貼26個(gè)應(yīng)變片，應(yīng)變片粘貼的方式選擇1/4橋。用DH-3816靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)測量靜力加載作用下各點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變。按構(gòu)件受力特性，分別布置數(shù)量不等的應(yīng)變片，采集應(yīng)力應(yīng)變值。1～18號應(yīng)變片具體布置位置如圖2所示。固定柱子上端貼19、20號應(yīng)變片；柱子下端粘貼21、22號應(yīng)變片；可上升柱子中部粘貼23、24號應(yīng)變片；可上升柱子上端粘貼25、26號應(yīng)變片。

1.4 靜力加載試驗(yàn)驗(yàn)證救生器支架的安全性

將救生器支架設(shè)置成逃生使用狀態(tài)（圖1-（b））。加載時(shí)用鋼絲繩將重27 kg的鐵框懸掛于懸臂梁端部鐵環(huán)上，配重采用10 kg的鐵塊和1.25 kg的鋼片。試驗(yàn)采用單調(diào)靜力加載，加載分級施加，當(dāng)最大應(yīng)力值達(dá)到45號鋼抗拉強(qiáng)度70%之前，每級加載20 kg，之后每級加載10 kg，因試驗(yàn)?zāi)康氖窃u價(jià)逃生支架的安全性，因此僅加載至447 kg（大約相當(dāng)于8個(gè)人體重），考察各構(gòu)件占45號鋼抗拉強(qiáng)度的百分比即可驗(yàn)證其是否能夠保證逃生安全。以最大應(yīng)力值不超過45號鋼抗拉強(qiáng)度600 MPa的70%為安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 支架各構(gòu)件受力分析和應(yīng)變片粘貼位置標(biāo)記Fig.2The force analysis of each parts and strain gages paste location marks

1.5 救生器支架安全性的有限元仿真模擬計(jì)算

利用有限元分析仿真模擬計(jì)算救生器支架的安全性，并對有限元分析結(jié)果和靜力加載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，明確有限元仿真模擬分析結(jié)果與靜力加載試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果的吻合度。仿真模擬分析采用ANSYS10.0商用軟件。

計(jì)算模型：選用ANSYS中的solid45單元來模擬逃生支架，solid45單元用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)，單元通過8個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著xyz方向平移的自由度［10］。45號鋼彈性模量取E=210 GPa，抗拉強(qiáng)度取600 MPa，泊松比取0.269［11］。分別在懸臂梁與擋桿、懸臂梁與柱子、擋桿與上部斜撐的接觸位置建立接觸對，接觸剛度的比例因子均取0.1。鋼材采用雙線性模型，在鋼材達(dá)到屈服點(diǎn)之后，材料剛度迅速退化，以便使程序在模型進(jìn)入屈服狀態(tài)后立刻結(jié)束計(jì)算［12］。破壞準(zhǔn)則采用Von Mises屈服準(zhǔn)則［13-15］。

2 結(jié)果分析

2.1 靜力加載試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3，4，5，6中圖例編號為應(yīng)變片編號。加載試驗(yàn)實(shí)測應(yīng)力曲線如圖3所示，隨加載增加擋桿與懸臂梁接觸點(diǎn)上方的應(yīng)力增長幅度最大（見應(yīng)變片9應(yīng)力曲線）。檔桿與懸臂梁接觸點(diǎn)上方在加載的各個(gè)階段應(yīng)力云圖如圖7，應(yīng)力由加載67 kg時(shí)的116.64 MPa（圖7-a）增長至加載447 kg時(shí)的433.74 MPa（圖7-g）。其他部位應(yīng)力增長幅度較小，加載到447 kg時(shí)，增長幅度最大處為懸臂梁根處下表面（見應(yīng)變片8應(yīng)力曲線），增長幅度僅為160 MPa。懸臂梁上表面應(yīng)力在分級施加加載過程中變化最?。ㄒ姂?yīng)變片3應(yīng)力曲線），應(yīng)力水平保持在12 MPa以下。懸臂梁整體受力情況為下表面所受應(yīng)力比上表面大，符合加載懸掛在懸臂梁下表面的實(shí)際情況。

圖3 荷載試驗(yàn)-實(shí)測應(yīng)力曲線圖Fig.3Loading tests-measured stress diagrams

實(shí)測應(yīng)力值占45號鋼抗拉強(qiáng)度百分比σT/fy（%）曲線如圖4。當(dāng)加載到447 kg時(shí)，擋桿與懸臂梁接觸點(diǎn)上方（曲線9）的應(yīng)力達(dá)到45號鋼抗拉強(qiáng)度的75%。試驗(yàn)過程中擋桿已出現(xiàn)明顯可見的變形。擋桿的模擬仿真變形圖（圖7）也表現(xiàn)出明顯的變形，因安全標(biāo)準(zhǔn)為45號鋼抗拉強(qiáng)度600 MPa的70%，因此可明確擋桿為危險(xiǎn)構(gòu)件。其余部位最大應(yīng)力處僅為45號鋼抗拉強(qiáng)度的32%，可以保證足夠的安全。

圖4 實(shí)測應(yīng)力值占45號鋼抗拉強(qiáng)度百分比σT/fy（%）曲線Fig.4The σT/fy（%）curve about 45#steel

圖5 荷載-有限元仿真模擬計(jì)算應(yīng)力曲線圖Fig.5Loading test-finite element simulation stress curves

圖6 有限元仿真模擬計(jì)算結(jié)果與荷載實(shí)測結(jié)果差異比較圖Fig.6The differences between finite element simulation calculation and measured value of loading test

加載有限元計(jì)算應(yīng)力曲線如圖5。圖5中擋桿與懸臂梁接觸點(diǎn)上方應(yīng)力曲線9與擋桿中點(diǎn)上方的應(yīng)力曲線10重合，顯然這是ansys軟件模擬的理想情況，而圖3反映的實(shí)際情況為擋桿與懸臂梁接觸點(diǎn)上方的應(yīng)力比擋桿中點(diǎn)上方應(yīng)力大，其原因是生產(chǎn)時(shí)的誤差導(dǎo)致?lián)鯒U與懸臂梁不均勻接觸產(chǎn)生集中力，集中力作用處的應(yīng)力較大。其余部位應(yīng)力變化情況與圖5基本相同。

圖7為檔桿與懸臂梁接觸點(diǎn)上方在加載的各個(gè)階段的應(yīng)力云圖。

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知擋桿的變形值及應(yīng)力值均為逃生支架各構(gòu)件中最大值，擋桿是逃生支架最危險(xiǎn)的構(gòu)件。由于擋桿置換簡單且增加制造成本極小，可將擋桿的直徑加大，以有效提高逃生支架的安全性。

圖7 救生支架有限元分析應(yīng)力云圖Fig.7The finite element stress nephograms of life-saving device

2.2 有限元模擬仿真計(jì)算結(jié)果與靜力加載試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果比較

有限元仿真模擬計(jì)算與加載試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果差異比較結(jié)果如圖6。支架各部位的加載實(shí)測結(jié)果與有限元仿真模擬計(jì)算結(jié)果的差異雖無明顯規(guī)律性，但誤差在±9%范圍內(nèi)，說明用有限元模擬分析救生支架的受力性能結(jié)果是可靠的。差異可能產(chǎn)生于實(shí)際試驗(yàn)場地在室外，有風(fēng)力的擾動(dòng)，且人為加載會(huì)造成不可避免的晃動(dòng)，產(chǎn)生慣性力，使其與有限元分析數(shù)據(jù)存在偏差。擋桿與懸臂梁接觸點(diǎn)上方的應(yīng)力差異曲線一直在負(fù)值區(qū)域變化，曲線表示（σC-σT）/σT（%），易得σC＜σT，即該處有限元計(jì)算應(yīng)力值始終比實(shí)測應(yīng)力值小，符合加工誤差導(dǎo)致的應(yīng)力集中的實(shí)際情況。

2.3 加固方案及有限元模擬計(jì)算驗(yàn)證加固方案的可靠性

由前述試驗(yàn)結(jié)果，救生器支架的最大應(yīng)力構(gòu)件為擋桿，因此若將擋桿的直徑由10 mm加大到20 mm以提高逃生支架承載能力，并利用ANSYS有限元軟件對加固逃生支架進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證其對提高逃生安全的有效性。

圖8、圖9為有限元模擬分析計(jì)算所得逃生支架加載447 kg時(shí)原逃生支架應(yīng)力云圖和加固后逃生支架的應(yīng)力云圖。加固前后支架的最大應(yīng)力分別為433.74 MPa、385.10 MPa，相比加固前最大應(yīng)力下降11%，這表明增大擋桿直徑可提高整個(gè)支架的承載能力。

圖8 加載時(shí)原支架的應(yīng)力云圖Fig.8The loading stress nephogram of primary device

圖9 加固后支架的應(yīng)力云圖Fig.9The stress nephogram of reinforced device

圖10、11分別為擋桿加固前后的模擬仿真變形圖。對比可知原擋桿變形明顯而加固后擋桿無明顯變形。且增大直徑后的擋桿應(yīng)力為132.11 MPa，相比于原檔桿最大應(yīng)力433.74 MPa下降了69%，由此表明增大擋桿直徑能夠使得逃生支架更安全。

圖10 原擋桿的模擬仿真變形情況Fig.10The simulation deformation of primary device

圖11 加固后擋桿的模擬仿真變形情況Fig.11The simulation deformation of reinforced device

3 結(jié)論

針對支架式救生器進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)，分析得出其薄弱位置并提出經(jīng)濟(jì)可行的加固方案，用有限元軟件ANSYS對加固方案進(jìn)行非線性有限元模擬仿真分析，得出如下結(jié)論：

（1）根據(jù)靜力加載試驗(yàn)結(jié)果的最大應(yīng)力值分析，發(fā)現(xiàn)救生器支架的最大應(yīng)力構(gòu)件為擋桿，靜力加載后擋桿明顯變形，擋桿的承載能力直接決定支架式救生器的安全可靠性。

（2）有限元仿真分析表明，模擬計(jì)算應(yīng)力數(shù)據(jù)與靜力加載試驗(yàn)應(yīng)力數(shù)據(jù)結(jié)果吻合良好。有限元模擬計(jì)算可以進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)驗(yàn)證。

（3）將擋桿的直徑由10 mm加大到20 mm，利用有限元對加大到20 mm擋桿的逃生支架進(jìn)行模擬仿真受力分析，表明，擋桿直徑增大10 mm可以提高承載能力11%，最大應(yīng)力值下降了69%，擋桿無明顯變形。明顯提高了支架式救生器的安全可靠性。

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Mechanics Properties Analysis and Strengthening Measures Testing for Life-saving Device of High Buildings

Zuo Xi，Hua Yuan
（School of Environment and Civil Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122）

In order to enhance the security and reliability of the life-saving device of high buildings，the DH-3816 static loading tests was adopted to collect the maximum stress value when the load was 447 kg，then the structural safety of the life-saving device was analyzed and the optimization designing proposal to the weak component was put forward.The results showed that the handle became yield failure was the weak component when the maximum stress reached to 75%of the ultimate tensile strength.Meanwhile，the data calculated by the static loading tests was well consistent with the results simulated by the finite element software ANSYS.According to existing life-saving device of high buildings，the optimized scheme was proposed that the handle diameter should increase from 10 mm to 20 mm，and the simulation analysis indicated this method could effectively improve security and reliability of the lifesaving device of high buildings.

life-saving device of high buildings；static loading tests；finite element analysis；strengthening measures

X959；TU976+.56

A

1002-2090（2016）04-0098-07

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.04.022

2015-11-12

2015年江南大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助（2015300Y）。

左茜（1994－），女，江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院土木工程專業(yè)2013級本科生。

華淵，男，教授，E-mail：huayuanxinxiang@126.com.