滿堂腳手架在水平荷載作用下承載力與屈曲分析

何夕平，陳 冉

安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，合肥，230601

滿堂腳手架在水平荷載作用下承載力與屈曲分析

何夕平，陳 冉

安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，合肥，230601

在考慮水平荷載下,對兩種不同滿堂扣件式腳手架架體進行ANSYS有限元屈曲分析，得出水平荷載對腳手承載力有一定影響，架體承載力隨水平荷載增加而減少，二者成近似線性關(guān)系。同時對比不同工況、不同水平荷載大小下架體的屈曲模態(tài)和承載力相對下降幅度，得出豎向剪刀撐比水平方向剪刀撐更能有效提高考慮水平荷載架體的承載力。

扣件式；腳手架；水平荷載；承載力

滿堂扣件式鋼管腳手架在我國建筑工程中使用廣泛，具有使用、搬運方便快捷，安全可靠度較高，可重復(fù)使用，節(jié)約成本等特點。但近年來大跨度、高支模等結(jié)構(gòu)愈來愈多，腳手架發(fā)生坍塌導(dǎo)致作業(yè)人員傷亡事件亦屢見不鮮，因此腳手架安全性問題一直是工程施工中關(guān)注的重點。本文重點討論通過ANSYS有限元軟件建立一個滿堂扣件式鋼管腳手架的實例模型，通過對比在豎向荷載作用下與豎向荷載和水平荷載同時作用下時模型受力和變形特點，對模型進行承載力特征曲屈分析，以期使腳手架模型與實際工程受力特點相近，從而為實際工程提供參考與借鑒[1]。

1 建立兩種參數(shù)模型

某工程滿堂扣件式鋼管腳手架架體高4.7 m，立桿間距1.2×1.2 m，架體步距1.5 m，掃地桿離地搭設(shè)高取0.2 m，鋼管尺寸采用Φ48.3×3.5，鋼材彈性模量E取值2.06×105N/mm2，密度7800 kg/m，泊松比0.3，屈服強度235 MPa。支架體系采用通用有限元軟件ANSYS進行受力分析，因扣件式鋼管腳手架在縱橫桿、立桿、剪刀撐方向受力情況有所不同，故采用Beam188單元模擬水平桿和立桿，Beam44單元模擬剪刀撐設(shè)置，Combin14單元模擬扣件的扭轉(zhuǎn)剛度，本文架體選取扭轉(zhuǎn)剛度為20 KN·m/rad，并通過耦合重合節(jié)點x、y、z三個方向的自由度模擬節(jié)點半剛性[2]。立桿底部采用鉸接約束。分別選取無剪刀撐和有剪刀撐兩種架體進行屈曲模態(tài)和承載力對比分析，模型如圖1所示。圖中架體一未設(shè)置剪刀撐，架體二在有水平和豎向分別設(shè)置剪刀撐。

圖1 計算模型圖

2 水平荷載在不同工況下對架體承載力影響

2.1 水平荷載值的選取

在實際澆筑施工操作中，產(chǎn)生架體水平方向的荷載較復(fù)雜，主要是在混凝土澆筑施工時，混凝土泵輸送混凝土?xí)r產(chǎn)生水平?jīng)_力、振搗器在振搗時的水平?jīng)_擊力、風(fēng)荷載的影響等，本文水平荷載取值結(jié)合《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ162-2008)[3]，在ANSYS軟件中空間坐標(biāo)軸x方向架體頂端每個節(jié)點分別施加1.2 KN集中力，五個節(jié)點總共施加6 KN水平荷載。豎向荷載以集中力形式作用在架體頂端每個節(jié)點上[4-8]。

2.2 不同工況下承載力分析

(1)為研究水平荷載對鋼管扣件式滿堂腳手架承載力的影響和變形特征，通過ANSYS有限元屈曲分析得到六種不同工況下架體的穩(wěn)定承載力和一階屈曲失穩(wěn)模態(tài)。各工況架體搭設(shè)參數(shù)、設(shè)置要求和求解得出的穩(wěn)定承載力詳見表1，屈曲失穩(wěn)模態(tài)見圖2。

表1 各工況架體穩(wěn)定承載力

(2)工況1與工況2屬于無剪刀撐架體(圖1架體一)。工況1僅施加豎向荷載，工況2施加水平荷載和豎向荷載，其他設(shè)置相同。由表1可知，無水平荷載時架體穩(wěn)定承載力為16.667 KN，施加水平荷載后，架體穩(wěn)定承載力下降1.152 KN，下降幅度為6.91%。工況1架體失穩(wěn)模態(tài)朝著一個方向傾斜，施加水平荷載后，工況2架體發(fā)生整體扭曲。工況5與工況6屬于有剪刀撐架體(圖1架體二)，分別在架體水平方向與豎直方向設(shè)置剪刀撐，工況5施加水平荷載，其他參數(shù)設(shè)置與工況6相同。由表1得出，工況6的穩(wěn)定承載力為26.879 KN，工況5在施加水平荷載后承載力下降0.955 KN，為25.924 KN,下降幅度較小，僅為3.55%。由圖2可知，工況5架體立桿失穩(wěn)模態(tài)似正弦函數(shù)的彎曲，與工況6失穩(wěn)模態(tài)相似，但工況6未施加水平荷載，立桿彎曲幅度小于工況5立桿。由表1和圖2可知，當(dāng)考慮施工過程中各種水平荷載作用于架體時，荷載對扣件式滿堂腳手架架體的承載力有一定影響，對未設(shè)置剪刀撐的架體，承載力下降幅度更為明顯。同時，剪刀撐的設(shè)置能明顯提高滿堂腳手架架體的承載力，如表1中工況5相對工況2，其承載力提高67%。

圖2 各工況架體一階屈曲失穩(wěn)模態(tài)

對比工況2與工況3，架體分別施加6 KN的水平荷載，工況3在架體頂部和底部各設(shè)置一道水平方向的剪刀撐，架體穩(wěn)定承載力僅提高0.067 KN，提高幅度不大，架體發(fā)生側(cè)向的扭曲變形，與工況2變形相似。對比工況2與工況4，同時施加水平荷載，工況4在架體四周各設(shè)置一道豎向剪刀撐，架體承載力提高9.234 KN，提高幅度為59.5%，說明扣件式滿堂腳手架架體在考慮水平施工荷載作用時，豎向剪刀撐設(shè)置能夠有效抵抗施工時水平荷載對架體穩(wěn)定承載力產(chǎn)生的不利影響，對架體整體穩(wěn)定性、施工安全起重要作用。

2.3 不同大小水平荷載條件下兩種架體承載力變化分析

在工程現(xiàn)場實際施工過程中，混凝土澆筑時對扣件式滿堂腳手架架體產(chǎn)生的水平荷載不是一個確定的數(shù)值，其大小受多種不確定因素影響。李靖對混凝土澆筑時所受泵送水平荷載進行了理論計算和試驗研究，并推導(dǎo)出澆筑泵管對支架架體產(chǎn)生的沖擊力估算公式[9]：

F′=ΔP1L′πr2

=2πr[(3-0.1)s×102+(4-0.1)s×102

(1)

式中，F(xiàn)′為模板支架受到的沖擊力(N)，ΔP1為水平管平均每米長管壓力損失(kPa/m)，L′為模板支架接觸點至出口輸送管經(jīng)過水平換算后的總長度(m)，r為輸送管的半徑(m)，s為混凝土的塌落度(cm)，Q1為混凝土泵理論排量值(m3/h)[10-12]。根據(jù)公式(1)，本文選取從3 KN變化到10.5 KN的水平荷載施加在架體一與架體2上，對架體穩(wěn)定承載力進行有限元屈曲分析，得到水平荷載與架體承載力的關(guān)系。兩種架體各參數(shù)除水平荷載外，分別與表1中工況1與工況6相同。計算結(jié)果如表2和圖3所示，表2、圖3中a表示架體一相對與工況1承載力下降的幅度，b表示架體二相對與工況6承載力下降的幅度。

表2 不同大小水平荷載對架體承載力影響

圖3 不同大小水平荷載下兩種架體承載力下降幅度

根據(jù)表2和圖3相關(guān)數(shù)據(jù)對比分析，兩種架體穩(wěn)定承載力相應(yīng)的下降幅度與水平荷載在3 KN～10.5 KN的范圍內(nèi)基本成線性比例關(guān)系，但斜率不同。隨著水平荷載的逐步增加，架體一承載力由16.312 KN下降至13.876 KN，下降幅度從2.13%～16.75%，而架體2承載力從26.524 KN下降到24.792 KN，下降幅度從1.25%～7.76%，相比架體一下降幅度明顯減少。由此剪刀撐的設(shè)置能抵抗和減少水平荷載對架體承載力的影響，同時水平荷載對滿堂腳手架架體穩(wěn)定承載力的影響并不能忽視，在驗算架體承載力時應(yīng)考慮水平施工荷載影響。

3 結(jié) 語

根據(jù)以上試驗分析，得到以下結(jié)論：

(1)本文通過兩種滿堂扣件式腳手架架體模型，對比不同工況下水平荷載對架體穩(wěn)定承載力的影響，當(dāng)考慮水平荷載時架體承載力比未考慮水平荷載時架體承載力要低，水平荷載應(yīng)在腳手架穩(wěn)定承載力計算中考慮。

(2)剪刀撐的設(shè)置能顯著提高整個架體的穩(wěn)定承載力，特別是豎向剪刀撐對抵抗水平荷載作用比水平方向剪刀撐更明顯。

(3)隨著水平荷載的增加，架體承載力隨之下降，二者呈近似線性關(guān)系，無剪刀撐架體比有剪刀撐架體承載力下降更快。

[1]何夕平，齊華偉，邵傳林.滿堂扣件式鋼管腳手架不同步距承載力影響分析[J].安徽建筑大學(xué)學(xué)報,2015，23(4)：11-16

[2]周洪濤，郭志鑫.扣件式鋼管滿堂腳手架ANSYS受力性能分析[J].施工技術(shù)，2013，42(14)：98-101

[3]JGJ162-2008.建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范[S].北京：中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2008

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[5]田高超.扣件式鋼管腳手架穩(wěn)定承載力影響因素分析[J].建筑安全，2010(8)：36-38

[6]JGJ130-2011.建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范[S].北京：中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2011

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[8]陳志華，陸征然，王小盾.基于部分側(cè)移單桿穩(wěn)定理論的無支撐扣件式模板支架承載力研究[J].工程力學(xué)，2010，27(11):99-105

[9]李靖.扣件式鋼管模板支架極限承載力研究[D].北京:北京交通大學(xué)研究生院，2009:1-35

[10]袁雪霞，金偉良，魯征，等.扣件式鋼管支模架穩(wěn)定承載能力研究[J].土木工程學(xué)報，2006，39(5)：43-50

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(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.01.028

2016-11-06

安徽省科技攻關(guān)計劃項目(1501041133)；安徽省教育廳高等教育振興計劃(2013zdjy121)；安徽省教育廳質(zhì)量工程項目(2014gxk063)。

何夕平(1963-)，安徽無為人，碩士，教授，研究方向：現(xiàn)代工程施工技術(shù)和施工中的結(jié)構(gòu)問題。

TP273

A

1673-2006(2017)01-0105-04