立桿間距對滿堂扣件式鋼管腳手架承載力的影響①

趙雪會, 何夕平

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

伴隨祖國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)外建設(shè)規(guī)模逐漸擴大。腳手架作為澆筑模板支撐體系，不但要保證混凝土成型后的質(zhì)量，同時也涉及到工程的安全性，因此，模板支撐體系的穩(wěn)定性尤為重要，滿堂扣件式鋼管腳手架因其具有的施工靈活性強，可多次重復(fù)利用等優(yōu)點在多種支撐體系中有其獨特的優(yōu)勢[1]。但是，由于現(xiàn)場工作人員對影響腳手架承載力的因素了解不全，導(dǎo)致其坍塌的事故時有發(fā)生。這種事故會給工程帶來巨大的損失。因此，對滿堂扣件式鋼管腳手架穩(wěn)定性的研究十分有必要，可以為以后類似的腳手架搭設(shè)建立一個合理安全的模型，減少安全事故的發(fā)生。根據(jù)規(guī)范可知，組成腳手架的相關(guān)構(gòu)件都可以成為影響腳手架穩(wěn)定性的因素[2]。孫逸夫，陳燕等人研究了在不同步距和有無剪刀撐的情況下各桿件的受力性能，結(jié)論得出腳手架步距的減少可以明顯地增強腳手架內(nèi)部立桿的承載能力；剪刀撐也可以提高腳手架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[3]。施小明，王娟玲通過規(guī)范對長度附加系數(shù)，立桿長度計算公式的規(guī)定進行間距、步距等對長度計算的研究，為規(guī)范的修訂提供參考[4]。胡秀俊等人研究了設(shè)置掃地桿可以增大模板支架的整體剛度，可以規(guī)避地基因局部彎曲而影響整個架體模板的穩(wěn)定性[5]。借鑒其他學(xué)者的研究方法，分析了在步距一定的情況下，立桿間距在1.6m-0.6m之間變化時對架體穩(wěn)定性的影響，分析結(jié)論可供實際工程參考。

1 理論受力分析

滿堂扣件式鋼管腳手架是由扣件，水平桿，剪刀撐，底座，掃地桿等構(gòu)成的承力支架，頂部施工層的荷載通過水平桿傳遞給立桿且立桿呈偏心受壓狀態(tài)[6]。垂直于底面的桿件主要承受豎向荷載，與地面平行的桿件是作為立桿的水平支撐桿件，分擔腳手架由上部傳遞的荷載。豎向剪刀撐，它能有效地減少結(jié)構(gòu)的側(cè)移度，較好地抵抗風荷載的作用[7]。雖然影響腳手架穩(wěn)定性的因素有很多，但是只分析了立桿間距的不同帶來的影響。忽略其他的外部因素，當步距一定時，立桿間距的減小將會使架體的承載力提高。根據(jù)規(guī)范[2]可知：在考慮風荷載的情況下，依據(jù)公式來N=1.2(NG1k+NG2k)+0.9×1.4∑NQk計算腳手架的承載力。NG1k為腳手架結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的軸向力標準值；NG2k為構(gòu)配件自重產(chǎn)生的軸向力標準值為NQk為施工荷載產(chǎn)生的軸向力標準值總和，內(nèi)、外立桿各按一縱距內(nèi)施工荷載總和的1/2取值即可。承載力計算結(jié)果見表1:

表1 腳手架的承載力計算表(kN)

由表1可知：當步距在1.5m保持不變時，立桿的間距從1.6m×1.6m減少到1.2m×1.2m時，扣件式鋼管腳手架的承載能力提高14.39%；間距從1.2m×1.2m降低到0.6m×0.6m,架體的承載力提高了27.78%。這表明了間距的減少可以提高架體的承載力，減少的幅度越大，提高的越多，兩者之間類似于一種反比的關(guān)系。其關(guān)系曲線如圖1所示：

2 創(chuàng)建腳手架分析模型

2.1 模型概況

研究模型為5×5跨的架體模型，通過模型研究它的主位移、X方向的位移和主應(yīng)力的變化情況。掃地桿的離地高度設(shè)為0.03m，步距定為1.5m，立桿間距在1.6m×1.6m—0.6m×0.6m之間變化，腳手架的總體高度為7.53m。豎向剪刀撐布置2根。

2.2 模型建立

利用ANSYS軟件模擬的方式來研究立桿間距的不同對腳手架承載力的影響。腳手架鋼管單元選用BEAM189，材料選用Q345，彈性模量E為206GPa，泊松比為0.3，材料質(zhì)量密度為7850Kg/m3，材料的屈服強度為345MPa；鋼管的截面尺寸為Ф48mm×3.6mm；扣件選用對接扣件，材料為鑄鐵構(gòu)件，屬于脆性材料，彈性模量E取為104GPa，泊松比為0.26；螺栓假定為理想彈塑性材料，各向同性，取屈服前的彈性模量E為210GPa，泊松比為0.3，屈服強度為650MPa；利用彈簧單元Combine14來實現(xiàn)半剛性結(jié)點的性質(zhì)[6]。依據(jù)立桿間距的不同，分為6種情況，見表2：

表2 ANSYS模型分類

以下是腳手架兩種情況下三維模型圖和正立面圖：

2.3 模型分析

分別對這6種情況進行靜力分析，通過軟件分析，得到腳手架在不同立桿間距下架體的總位移、X方向的位移和主應(yīng)力的變化情況。模擬的荷載主要是腳手架的立桿在頂端處受到的集中荷載作用。得到的結(jié)果如下圖所示：

圖1 腳手架承載力與立桿間距變化關(guān)系曲線

圖2 1.6m×1.6m三維模型

圖3 1.6m×1.6m正立面圖

圖4 0.6m×0.6m三維模型

圖6 1.6m×1.6m總位移云圖

圖7 1.6m×1.6m UX云圖

將總位移云圖繪制成曲線圖，可以更直觀地顯示出位移與立桿間距之間的關(guān)系：

由上述的曲線圖可知：隨著立桿間距的不斷增大，扣件式鋼管腳手架的位移也在不斷地增大，這樣對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是非常不利的。當間距從1.6m減少到1.2m時，架體的總位移降低了18.9%，X方向的位移降低了18.7%；當間距減少到0.6m時，總位移降低了47.9%，X方向的位移降低了46.7%。這表明當結(jié)構(gòu)的立桿間距過大時，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差，不能保障施工人員的安全問題。

對建立的模型逐級施加荷載后，對應(yīng)的主應(yīng)力圖如下所示：

圖8 1.2m×1.2m總位移云圖

圖9 1.2m×1.2m UX云圖

圖10 0.6m×0.6m總位移云圖

由圖16可知：隨立桿間距的減少，架體的主應(yīng)力也隨之減小，但降低的幅度偏小。當間距從1.6m減少到1.2m時，主應(yīng)力下降了11.38%；當間距減少到0.6m時，主應(yīng)力下降了19.16%。

圖11 0.6m×0.6m UX云圖

圖12 立桿間距與總位移的關(guān)系曲線

圖13 1.6m×1.6m主應(yīng)力云圖

3 結(jié) 論

通過以上對腳手架承載力，位移，主應(yīng)力與立桿間距關(guān)系的分析，得出如下的結(jié)論：

(1)通過ANSYS模型分析可以得出：立桿間距的減小，有利于減小架體整體的位移；但是距離的減小也會導(dǎo)致其主應(yīng)力相應(yīng)地減少，所以一個合理的間距布置在工程中是非常重要的；

圖14 1.2m×1.2m主應(yīng)力云圖

圖15 0.6m×0.6m主應(yīng)力云圖

圖16 立桿間距與主應(yīng)力之間的關(guān)系曲線

(2)由最初的理論分析知：間距的減少對腳手架的承載力是有利的，但在實際的工程中，間距布置的太小必然會造成施工成本的增加，同時增強了工人的勞動強度，間距太小不利于工人的施工操作；

綜合以上分析可知：當立桿間距布置在1.2m×1.2m～1.6m×1.6m范圍內(nèi)時，滿堂扣件式鋼管腳手架的整體穩(wěn)定性相對來說是比較好的。

[1] 陸征然. 扣件式鋼管滿堂支承體系理論分析與試驗研究[D]. 天津:天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,2010.

[2] 中華人民共和國建設(shè)部.建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范:JGJ130-2011[S]. 中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[3] 孫逸夫,陳燕,梁義,等.步距和斜撐對滿堂扣件式鋼管腳手架承載力影響的試驗研究.安徽建筑大學(xué)學(xué)報.2016.04(24):36-41.

[4] 施小明,王娟玲.滿堂扣件式鋼管支撐架立桿計算長度的探究.建筑安全.2016.(04):48-50.

[5] 胡秀俊,李洋.滿堂扣件式鋼管腳手架掃地桿對架體承載力影響分析.河南城建學(xué)院學(xué)報.2016.05(25):29-34.

[6] 陸征然,陳志華,王小盾,等.扣件式鋼管滿堂支撐體系穩(wěn)定性的有限元分析及試驗研究[J].土木工程學(xué)報,2012(01):49-60.

[7] 崔建華,計海洋,梁以.滿堂扣件式鋼管腳手架應(yīng)力傳遞規(guī)律試驗研究[J].安徽建筑大學(xué)學(xué)報,2014,22(06):14-20.