附著式升降腳手架在不同工況下的模態(tài)分析

胡世軍 楊志云 望揚(yáng)

摘要：為盡快制定附著式升降腳手架設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和安全規(guī)程，以甘肅建投七建集團(tuán)建筑工地附著式升降腳手架為研究對象，利用ANSYS建立附著式升降腳手架的有限元模型，對附著式升降腳手架在工作和提升兩種工況條件下進(jìn)行模態(tài)分析。對比不同工況對附著式升降腳手架固有頻率和振型的影響，為下一步研究奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：附著式升降腳手架；ANSYS；模態(tài)分析

中圖分類號： TU731.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1672-1098（2017）04-0036-03

Abstract：In order to set the design criterion and security regulations， the adhesive integral-lift scaffold on the construction site of the seventh construction group of Gansu Jiantou was taken as the research subject in this study. In this paper， the finite element model of the adhesive integral-lift scaffold was constructed by using ANSYS， and a modal analysis was carried out on the adhesive integral-lift scaffold under the two working conditions of working and moving. The influence of different working conditions on the fixed frequency and mode of vibration of the adhesive integral-lift scaffold in this study lays foundation for the further research in this field.

Key words：the adhesive integral-lift scaffold；ANSYS；model analysis

附著式升降腳手架是一種新型的外墻腳手架系統(tǒng)，俗稱“爬架”或“智能升降平臺”。即在建筑物四周安裝爬升機(jī)構(gòu)，附著支撐裝置安裝于建筑物承力結(jié)構(gòu)上，架體利用附著支撐導(dǎo)座組并通過軌道安裝于附著支撐裝置的外側(cè)，提升電動葫蘆通過提升掛座固定安裝于建筑物承力結(jié)構(gòu)上，提升鋼絲繩一端連在提升電動葫蘆掛鉤上，另一端于用吊環(huán)連接于導(dǎo)軌主框架上。這樣架體就可以依靠附墻支撐導(dǎo)座沿軌道上下運(yùn)動，從而實現(xiàn)架體的升降運(yùn)動。目前，附著式升降腳手架技術(shù)處于發(fā)展階段，各種專利腳手架外形結(jié)構(gòu)和附著方式都不盡相同，所以有必要對附著式升降腳手架結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳盡的分析，這對盡快制定附著式升降腳手架設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和安全規(guī)程是極為必要的[1-2]。以甘肅建投七建集團(tuán)建筑工地附著式升降腳手架為研究對象，利用ansys軟件建立其有限元模型，并對附著式升降腳手架在工作和提升兩種工況

條件下進(jìn)行了模態(tài)分析[3-6]，對今后附著式升降腳手架的設(shè)計具有一定的參考意義。

1附著式升降腳手架的簡化模型

該附著式升降腳手架是根據(jù)建筑的外形構(gòu)造，由若干個互相獨(dú)立的架體單元相互連接組成的。架體提升時拆開架體之間的連接裝置，架體提升到位后連接為一個整體。每個獨(dú)立的架體單元所使用的材料和設(shè)備是相同的[7]。其一個架體單元是由腳手板、擋腳板、三角支架、防護(hù)網(wǎng)、導(dǎo)軌主框架、外立桿、附墻支撐導(dǎo)向座、電動葫蘆等組成。附著式升降腳手架一個架體單元結(jié)構(gòu)如下圖1所示。在這里取附著式升降腳手架的一個標(biāo)準(zhǔn)的腳手架架體單元來進(jìn)行分析，該單元主要有豎向框架和水平桁架組成，Ф48mm×3.5mm無縫鋼管焊接形成框架，框架間用扣件連接，架體單元的總高度為14.4m，每層水平桁架距離為1.8m，跨度為7.2m，立桿縱距為1.2m，寬度為0.8m，建立模型時做如下簡化，假設(shè)扣件連接處立桿，大橫桿和小橫桿相交于一點(diǎn)，且為理想剛性連接。

2腳手架的模態(tài)分析

2.1腳手架振動微分方程的建立

腳手架系統(tǒng)模態(tài)計算就是將腳手架模型離散成為具有有限個自由度的多自由度系統(tǒng)，分別計算多自由度系統(tǒng)中每個自由度的模態(tài)參數(shù)并將其線性疊加。 對于具有n個自由度的物理模型則需要n個獨(dú)立的坐標(biāo)系對其進(jìn)行求解。n個主振動的疊加構(gòu)成了系統(tǒng)的自由振動響應(yīng)，即可得到系統(tǒng)各階的固有頻率與振型。

式中：[m]為塔架整體的質(zhì)量矩陣；[c]為塔架整體的阻尼矩陣；[k]為塔架整體的剛度矩陣；{q}為節(jié)點(diǎn)的位移列陣；{q·}為節(jié)點(diǎn)的速度列陣；{q··}為節(jié)點(diǎn)的加速度列陣；{F（t）}為外部載荷激勵列陣。

若式（1）右端項 F=0，在非零的初始條件下，方程有非零解，這時塔架處于自由振動狀態(tài)。由于沒有外載荷作用，方程的解反映了結(jié)構(gòu)本身固有的特性，即頻率與振型。

2.2塔架有限元模型的建立

對圖1所示的附著式升降腳手架架體單元結(jié)構(gòu)通過ANSYS 15.0建立幾何模型，選用Beam188單元類型，選取單元材料，定義材料彈性模量 2.1×105 N/mm2，泊松比μ= 0.3，密度ρ= 7 850 kg/m3。得到的有限元模型如圖2所示。

附著式升降腳手架在分析時主要考慮在一定高度下工作和提升兩種工況。

1）工作工況：附著式升降腳手架就位，腳手架下端通過鉸鏈和斜拉桿及支撐件與結(jié)構(gòu)連接，每個附著式升降腳手架架體單元有6個防墜防傾斜裝置通過導(dǎo)軌定位。另外，在每個結(jié)構(gòu)層，還有腳手管與架體硬拉結(jié)。

2）提升工況：附著式升降腳手架通過電動葫蘆提升，將斜拉桿和每層硬拉結(jié)去掉，另外，由于導(dǎo)軌長度有限，提升的后階段每個附著式升降腳手架架體單元只有4個防墜防傾斜裝置與導(dǎo)軌接觸。

2.3兩種工況下的求解

在加載和求解過程中，選用模態(tài)分析類型，定義擴(kuò)展模態(tài)數(shù)為5，在附著式升降腳手架的模態(tài)分析中，無論是工作工況還是提升工況，低頻振動都要比高頻振動危險且低階模態(tài)占主要狀態(tài)，高階模態(tài)對響應(yīng)的貢獻(xiàn)很小，階數(shù)越高，其貢獻(xiàn)就越小。而且，由于結(jié)構(gòu)阻尼的作用，響應(yīng)中的高階部分衰減也很快，故對高階模態(tài)可以忽略不計。根據(jù)上述特點(diǎn)，只計算了附著式升價腳手架的前五階模態(tài)，如表1～表2所示。

3結(jié)果分析

附著式升降腳手架的陣型相對比較簡單。如圖1所示，對于處于工作工況下的附著式升降腳手架而言，第一、二階頻率分別為2個方向上的一階彎曲振型，第三、四階頻率分別為另外2個方向上的一階彎曲振型，第五階頻率為二階扭轉(zhuǎn)振型。如圖2所示，對于處于提升工況下的附著式升降腳手架而言，第一、二、三、四階頻率分別為2個方向上的一階彎曲振型，第五階頻率分別為2個方向上的二階扭轉(zhuǎn)振型。

分析結(jié)果表明，低階模態(tài)中，工作工況時附著式升降腳手架的固有頻率大，提升工況時附著式升降腳手架的頻率小。這說明提升工況對附著式升降腳手架固有頻率的影響要比工作工況大的多。

4 結(jié)論

通過模態(tài)分析，可以確定附著式升降腳手架的固有頻率和固有振型，依據(jù)求解出來的固有頻率，可以判斷附著式升降腳手架在外載荷激勵下是否會發(fā)生共振。附著式升降腳手架在工作工況下的固有頻率要比提升工況下大的多，提升工況下更容易產(chǎn)生破壞。因此，在附著式升降腳手架的動態(tài)設(shè)計中，不僅要考慮整個架體結(jié)構(gòu)的選材、結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計，還要考慮環(huán)境因素對附著式升降腳手架固有頻率的影響：應(yīng)在無風(fēng)或者是小風(fēng)的情況下進(jìn)行提升，否則在較差環(huán)境下提升時，就得采取相應(yīng)的安全保護(hù)措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]吉北.高層建筑工具式外腳手架施工技術(shù)及發(fā)展趨勢[J].建筑安全，2000（8）：36-41.

[2]CUI W. Study on Application Technology of the Integral Lifting Scaffold[J]. Applied Mechanics & Materials， 2014， 638-640：1 564-1 567.

[3]趙飛， 徐偉. 附著升降腳手架風(fēng)振響應(yīng)分析研究[J].山西建筑，2008， 34（13）：139-140.

[4]羅繼曼， 邢艷， 劉大江，等. 基于ANSYS的施工升降機(jī)導(dǎo)軌架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009， 25（3）：570-573.

[5]邢艷， 羅繼曼， 王東紅，等. 施工升降機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模態(tài)分析[J].建筑機(jī)械化，2009， 30（3）：27-30.

[6]顧建波，楊振寧，謝強(qiáng).超高層建筑施工整體鋼平臺體系風(fēng)振響應(yīng)分析[J].建設(shè)科技，2015（9）：133-135.

[7]李會良.爬架在高層建筑施工中的應(yīng)用研究[D].西安：長安大學(xué)， 2010.

（責(zé)任編輯：李麗，范君）