智能化全鋼集成式爬架結(jié)構(gòu)可靠性分析

劉焱 賀子奇

摘 要：智能化全鋼集成式爬架是一種用于高層或超高層建筑的新型智能化外腳手架，在高度的城鎮(zhèn)化建設(shè)中具有重要的意義。本文以某城市高層建筑項(xiàng)目為例，采用智能化全鋼集成式爬架，對(duì)智能化全鋼集成式爬架施工技術(shù)性能進(jìn)行介紹，并選取爬架中的框架立桿和附墻支座等處采用有限元分析的方法進(jìn)行驗(yàn)算，并對(duì)升降設(shè)備、提升支座、防墜裝置和 卸荷裝置進(jìn)行驗(yàn)算。通過分析有效實(shí)現(xiàn)方案優(yōu)化，驗(yàn)證了智能化全鋼集成式爬架施工應(yīng)用中的可靠性性和可行性。

關(guān)鍵詞：爬架;有限元分析;ANSYS;可靠性

Abstract： Intelligent all steel integrated climbing frame is a new type of intelligent external scaffold for high-rise or super high-rise buildings， which is of great significance in high-level urbanization construction. Taking a high-rise building project in a city as an example， this paper introduces the construction technical performance of the intelligent all steel integrated climbing frame， and selects the frame pole and wall attached support in the climbing frame to use the finite element analysis method for checking calculation， and checks the lifting equipment， lifting support， anti falling device and unloading device. Through the analysis of the scheme optimization， the reliability and feasibility of the intelligent all steel integrated climbing frame construction application are verified.

Key words：Climbing frame;Finite element analysis; ANSYS; Reliability

中圖分類號(hào)：TU603? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，城鎮(zhèn)化率不斷加大，城市人口密度加大，房屋用地越來越少，樓層原來越高。隨著建筑逐漸增高，常規(guī)腳手架已不再適應(yīng)現(xiàn)在建筑速度。如何提高建筑工程施工效率和實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保施工已成為建筑行業(yè)迫切問題。智能化全鋼集成式腳手架具有巨大的優(yōu)勢(shì)，不僅加快建筑工程施工步伐，而且在施工安全方面也自帶防范裝置。同時(shí)爬架在施工過程中受到多種靜荷載、動(dòng)荷載和認(rèn)為活動(dòng)等不利因素的影響，因此，研究施工技術(shù)性能和荷載穩(wěn)定性對(duì)腳手架的影響，對(duì)指導(dǎo)腳手架設(shè)計(jì)施工、保證腳手架安全具有重要的工程意義。

1 智能化全鋼集成式爬架設(shè)計(jì)概況

1.1 智能化全鋼集成式爬架簡介

能化全鋼集成式爬架是新一代附著式升降腳手架，巧妙的將承力機(jī)位和架體結(jié)合在一起，產(chǎn)品全部工廠化預(yù)制，標(biāo)準(zhǔn)化安裝，安全文明。具有安全、快捷、經(jīng)濟(jì)、美觀等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 智能化全鋼集成式爬架的架體構(gòu)成

智能化全鋼集成式爬架按流水段等工程實(shí)際情況以組為提升單位，由架體單元、附著支承系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、防墜落裝置和荷載同步控制檢測(cè)系統(tǒng)等六部分組成[1]。

1.3 智能化全鋼集成式爬架的架體單元

架體單元主要由定型的立桿、型鋼腳手板、三角支撐架、水平桁架、內(nèi)挑密封翻板、防護(hù)網(wǎng)等組成;前立桿和后立桿前后通過和腳手板連接，縱向通過水平桁架連接，型鋼腳手板連接立桿連接桿或三角支撐架，水平支撐桁架和立桿及外鋼網(wǎng)形成空間桁架結(jié)構(gòu)，架體荷載通過該水平支撐桁架將力傳遞到導(dǎo)軌主框架上。

1.4 附著式升降腳手架的附著支撐系統(tǒng)

包括導(dǎo)軌，附墻支座，承載螺栓，墊片等。其大樣如所示：

該支座構(gòu)造特征為：附墻支座的防墜擺塊上同軸安裝了觸發(fā)條，防墜擺塊頭輕尾重仰頭，側(cè)面同軸安裝觸發(fā)條，支座上部設(shè)置有定位器。

工作原理為：利用擺塊復(fù)位的時(shí)間差實(shí)現(xiàn)防墜落。

腳手架提升時(shí)，導(dǎo)軌上升，導(dǎo)軌橫桿與防墜擺塊無接觸，導(dǎo)軌橫桿碰上觸發(fā)條轉(zhuǎn)動(dòng)，腳手架正常提升。

腳手架正常下降時(shí)，導(dǎo)軌下降，導(dǎo)軌橫桿碰上觸發(fā)條，帶動(dòng)擺塊轉(zhuǎn)動(dòng);腳手架繼續(xù)緩慢下降，導(dǎo)軌橫桿脫離觸發(fā)條，防墜擺塊在尾部重力作用下復(fù)位，導(dǎo)軌正常緩慢下降，腳手架正常下降。

腳手架墜落時(shí)，導(dǎo)軌橫桿撞擊觸發(fā)條轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)防墜擺塊轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)軌橫桿脫離觸發(fā)條時(shí)，防墜擺塊來不及復(fù)位，防墜擺塊尾部撞擊支座后橫隔板，防墜擺塊立即制動(dòng)，防墜擺塊頭上部卡住導(dǎo)軌橫桿，導(dǎo)軌立即制動(dòng)，防止腳手架繼續(xù)墜落。

1.5 提升系統(tǒng)

一般采用電動(dòng)葫蘆，下吊點(diǎn)設(shè)吊點(diǎn)桁架與導(dǎo)軌立桿用螺栓連接，上吊點(diǎn)固定在結(jié)構(gòu)上。

1.6 智能化全鋼集成式爬架的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括：重力傳感器，電氣線路和總控箱，分控箱。架體的升降采用電動(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)。

1.7 附著式升降腳手架的防墜落裝置

擺塊式防墜器、定位器和智能控制系統(tǒng)相結(jié)合，極大地提高了附著式升降腳手架的安全防墜效果。

附著式升降腳手架的防傾覆措施：附著支座具有導(dǎo)向、承載、防傾、防墜作用，每榀導(dǎo)軌主框架均配三個(gè)附著支座，架體使用中，必須按審定的操作規(guī)程及施工方案進(jìn)行施工，保證在提升和使用工況下至少有兩個(gè)附著支座與結(jié)構(gòu)連接。

1.8 荷載同步控制檢測(cè)系統(tǒng)

由中央檢測(cè)顯示儀、中間站、載荷傳感器、九芯線、三芯線組成。中央檢測(cè)顯示儀為單板計(jì)算機(jī)，可同時(shí)監(jiān)視、分析40個(gè)提升機(jī)位的載荷狀況，一旦機(jī)位載荷超出預(yù)設(shè)范圍，發(fā)生欠載或超載現(xiàn)象，中央檢測(cè)顯示儀可發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)、指示故障地址、切斷動(dòng)力電源，待故障排除后方可繼續(xù)使用;中繼站可中轉(zhuǎn)來自中央檢測(cè)顯示儀與載荷傳感器的信息，并簡化信號(hào)傳輸線路;載荷傳感器可將機(jī)位載荷轉(zhuǎn)化為電信號(hào);九芯線、三芯線用于各電子裝置間的電信號(hào)傳輸[2]。

2 工程實(shí)例

2.1項(xiàng)目概況

本工程為某市錦祥花園二期棚戶區(qū)改造項(xiàng)目，該項(xiàng)目分為三個(gè)地塊，主要有22棟主樓和若干個(gè)附屬樓，樓棟單體較多，總投資大概18.35億元，項(xiàng)目周期較短，工程合同工期為22個(gè)月，該項(xiàng)目采用EPC模式（即設(shè)計(jì)、采購、施工、試運(yùn)行），本文將以宗地三建筑4#樓為例進(jìn)行智能化集成式爬架穩(wěn)定性分析，4#樓為地上33層、地下2層，采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑面積23042.93m2。建設(shè)項(xiàng)目使用TL-06型附著式全鋼爬架搭配鋁模進(jìn)行施工，大部分樓棟從 1 層開始使用鋁模，2層開始安裝爬架，3 層底板開始使用爬架與鋁模進(jìn)行組合搭配。

2.2爬架相關(guān)技術(shù)參數(shù)

3 荷載計(jì)算

3.1靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值

3.1.1主框架自重

主框架由方管焊接架體及導(dǎo)軌組成

主框架自重為：

3.1.2中間支撐框架自重計(jì)算

中間支撐框架由內(nèi)外立桿及橫撐、斜撐組成。

單個(gè)框架自重：1.652KN，一個(gè)計(jì)算跨度內(nèi)包含兩個(gè)中間框架。

兩個(gè)合計(jì)自重：

3.1.3底部水平支撐桁架自重

3.1.4防護(hù)網(wǎng)自重

架體采用定型防護(hù)網(wǎng)，包括正面及兩側(cè)護(hù)網(wǎng)，合計(jì)自重：

3.1.5腳手板自重

腳手板包括底部腳手板及以上各層腳手板（含主腳手板和副腳手板及翻板）

自重合計(jì)：

3.1.6上下吊點(diǎn)自重：

3.1.7升降設(shè)備（一個(gè)7.5t電動(dòng)葫蘆900N）

3.2 施工活荷載標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù)施工具體情況，按使用、升降及墜落三種工況確定活荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

3.2.1施工活荷載

根據(jù)《建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ202-2010）：

結(jié)構(gòu)施工時(shí)按二層同時(shí)作業(yè)計(jì)算，使用狀況下施工荷載按每層3 kN/m2，升降及墜落狀況下按每層0.5 kN/m2計(jì)算;裝修施工時(shí)按三層同時(shí)作業(yè)計(jì)算，使用狀況下施工荷載按每層2 kN/m2計(jì)算，升降及墜落狀況下按每層0.5 kN/m2計(jì)算。

1）結(jié)構(gòu)施工

使用狀態(tài)

升降、墜落狀態(tài)

2）裝修施工

使用狀態(tài)

升降、墜落狀態(tài)

施工活荷載標(biāo)準(zhǔn)值QK取21.24KN（施工狀態(tài)）;5.31KN（升降狀態(tài)）

3.2.2風(fēng)荷載

根據(jù)《建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ202-2010），風(fēng)荷載計(jì)算公式為：

其中為風(fēng)振系數(shù)，取1.0

風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）的規(guī)定采用，按照D類地區(qū)，150m高建筑取值1.33

腳手架風(fēng)荷載體型系數(shù)，應(yīng)按背靠建筑物狀況選取，全封閉時(shí)取，敞開開洞時(shí)，其中為擋風(fēng)系數(shù)，應(yīng)為腳手架擋風(fēng)面積與迎風(fēng)面積之比;密目式安全立網(wǎng)的擋風(fēng)系數(shù)應(yīng)按網(wǎng)=0.8計(jì)算。

基本風(fēng)壓值，應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）的附表D.4中n=10年的規(guī)定采用。工作狀態(tài)應(yīng)按本地區(qū)的10年風(fēng)壓最大值選用，取0.50KN/m2，升降、墜落工況時(shí)，可取0.25KN/m2.

4 計(jì)算模型與分析

4.1 計(jì)算模型

計(jì)算軟件選用ANSYS通用有限元分析軟件，考慮到結(jié)構(gòu)條件，在爬架升降過程中，架體立桿和附墻支座為最不利。并基于這兩個(gè)部位進(jìn)行荷載計(jì)算。

4.2 框架立桿的穩(wěn)定性驗(yàn)算

該型號(hào)工具式腳手架采用定型框架替代碗扣式腳手架立桿，壓彎桿件穩(wěn)定性應(yīng)滿足鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范對(duì)框架桿的穩(wěn)定性要求?？蚣芘c水平桁架連接的底部框架立桿受力大，穩(wěn)定性較差，可以對(duì)該處框架立桿進(jìn)行穩(wěn)定性校核?？蚣艹惺軆蓚?cè)按一縱距范圍內(nèi)的荷載，包括靜荷載、活荷載，荷載總和平均施加到內(nèi)外立桿上。靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值包括以下內(nèi)容：

施工荷載為施工荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的軸向力總和，立桿施工荷載按一縱距內(nèi)施工荷載總和平均施加到內(nèi)外兩排立桿上。經(jīng)計(jì)算得到，施工荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

結(jié)構(gòu)施工：

不考慮風(fēng)荷載時(shí)，框架內(nèi)外側(cè)軸向荷載設(shè)計(jì)值為：

考慮風(fēng)荷載時(shí)，立桿的軸向壓力設(shè)計(jì)值為：

利用計(jì)算軟件ANSYS10.1計(jì)算各桿的內(nèi)力，計(jì)算簡圖如圖：

計(jì)算結(jié)果：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，各桿端剛性連接，考慮斜撐作用，只需校核桿1、2的穩(wěn)定性。由鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范GB50017公式進(jìn)行驗(yàn)算。

滿足要求。

4.3 附墻支座驗(yàn)算

每個(gè)附墻支座按使用工況驗(yàn)算，且每個(gè)支座均應(yīng)能承受該機(jī)位范圍內(nèi)全部設(shè)計(jì)荷載。并將荷載設(shè)計(jì)值乘以不均勻系數(shù)2或沖擊系數(shù)2進(jìn)行計(jì)算。通過ANSYS有限元計(jì)算得到最不利組合作用在支座上的反力。支座荷載設(shè)計(jì)值

NX=29000N，NY=63080N

乘以荷載不均勻系數(shù)2或沖擊系數(shù)2：

2NX=58000N，2NY=126200N

三角附墻支座驗(yàn)算，支座材料選擇兩根6.3#槽鋼，受力如圖。

利用有限元軟件Ansys10.1計(jì)算結(jié)果如下：

按照最不利狀態(tài)驗(yàn)算，選②桿進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算：

滿足要求。

4.4 升降設(shè)備驗(yàn)算

荷載計(jì)算

恒載：26.34KN

活載（升降工況）：6×0.59×2×0.5=3.54KN

荷載設(shè)計(jì)值：N=1.2×26.34+1.4×3.54=36.5KN

提升設(shè)備

本工程采用的兩部7.5T提升電動(dòng)葫蘆額定起重量為：

N0=7500×9.8=73500N=73.5KN

設(shè)計(jì)值

其中—附加荷載不均勻系數(shù)

故滿足要求。

4.5 提升支座驗(yàn)算

提升支座與附墻支座分開，單獨(dú)受力，由兩塊厚10mm的鋼板焊接而成，升降工況下，考慮附加荷載不均勻系數(shù)，鋼索施加在支座上的力為：NS=78KN

（1）銷軸抗剪驗(yàn)算：

滿足要求。

（2）支座強(qiáng)度驗(yàn)算

近似按照受拉構(gòu)件，取最小受力截面面積驗(yàn)算：

滿足要求。

（3）焊縫驗(yàn)算

滿足要求。

（4）連接螺栓驗(yàn)算

連接螺栓受力小于穿墻螺栓受力，根據(jù)穿墻螺栓驗(yàn)算結(jié)果故同樣滿足要求。

4.6防墜裝置驗(yàn)算

（1）受力簡圖：

防墜塊鋼板制成，根據(jù)實(shí)際工作情況取其最小截面以懸臂構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。

（2） 荷載計(jì)算

按照實(shí)際使用情況驗(yàn)算防墜塊強(qiáng)度。

使用工況下，考慮沖擊系數(shù)下單個(gè)防墜塊荷載設(shè)計(jì)值：

升降工況下，考慮沖擊系數(shù)單個(gè)防墜塊荷載設(shè)計(jì)值：

（3） 懸臂梁計(jì)算

選用最不利情況，即按使用工況進(jìn)行懸臂梁驗(yàn)算，

滿足要求。

（4） 銷軸計(jì)算

4.7 卸荷裝置驗(yàn)算

考慮沖擊系數(shù)2，每個(gè)卸荷裝置承擔(dān)的荷載：

（1）卸荷螺桿驗(yàn)算：

卸荷裝置采用直徑30mm螺桿，與支座鉸支連接，按照軸心受壓桿驗(yàn)算：

其中：為考慮軸心受壓的穩(wěn)定系數(shù)。

滿足要求。

（2）與支座連接銷抗剪計(jì)算

卸荷裝置通過直徑24mm銷與支座連接，驗(yàn)算其抗剪性能：

滿足要求。

5結(jié)語

本文針對(duì)新型智能化集成式爬架在實(shí)際工程項(xiàng)目中，介紹和分析爬架原理和使用過程。采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元建模，對(duì)爬架框架立桿、附墻支座、升降設(shè)備、提升支座、防墜裝置和 卸荷裝置等處進(jìn)行驗(yàn)算，有利于分析該爬架在升降過程中的可靠性，保證施工安全。通過分析和研究，驗(yàn)證爬架的穩(wěn)定性和可靠性。

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