附著式升降腳手架不同工況下的預應力模態(tài)分析

劉 垚，蔡安江

（1.西安建筑科技大學 機電工程學院，陜西 西安 710055；2.中國建筑科學研究院有限公司 建筑機械化研究分院，河北 廊坊 065000）

1 引言

附著式升降腳手架具有操作簡單、美觀度好、施工速度快、效率及機械程度高等優(yōu)點，在高層及超高層建筑中占據(jù)舉足輕重的地位，具有很大的應用前景和廣泛的經(jīng)濟效益。隨著建筑機械的不斷進步及發(fā)展，人們對附著式升降腳手架的減振、降噪、節(jié)能等性能的要求也不斷地提高，這就要求研究者不斷探索其運行過程中的工作狀態(tài)，以提高其工作性能。

劉曉旭等采用有限差分法建立了包含支座在內(nèi)的腳手架模型精細化模型，分析結果表明支座剛度對架體受力及變形具有明顯影響；匡怡菁等人對新型附著式升降腳手架的結構構造進一步優(yōu)化，通過增加上部臨時支撐，結構的整體外傾得到有效控制；李秋生等對附著式升降腳手架進行理論分析及有限元分析，驗證了有限元分析的可靠性及準確性。潘為民等研究了風載荷對腳手架的影響，推導出四階AR 模型的參數(shù)表達式來模擬腳手架的風速時程，為直觀準確的模擬腳手架在脈動風載作用下的動力學特性奠定了基礎，并分析了抓取機構的合理運行過程，為后續(xù)液氣壓動力系統(tǒng)的設計提供參考；溫雪兵等對附著式升降腳手架的摩擦特性進行分析及研究，結果表明減小整體重量可以有效地減小摩擦力；并對不同附著式升降腳手架水平支承桁架力學性能對比分析研究，通過實驗數(shù)據(jù)驗證了影響腳手架力學性能的原因，指出了結構剛度是影響變形的主要因素。

以往在對腳手架進行優(yōu)化設計及分析時，常常以結構的剛度最大為優(yōu)化目標，卻忽視了結構的剛度質(zhì)量比對腳手架動力學特性的影響，從而造成結構的結構布局及材料分布不合理，因此有必要對腳手架的模態(tài)特性進行分析，避免運行過程中共振現(xiàn)象的發(fā)生，保障腳手架安全可靠運行。

為此，本文利用Solidworks 建立附著式升降腳手架的三維模型，然后以ANSYS 為平臺，對附著式升降腳手架在不同工況下的模態(tài)特性進行仿真和分析，研究腳手架在兩種工況下的振動形態(tài)及固有頻率，為腳手架的安全可靠運行及優(yōu)化設計提供技術保障。

2 三維模型的建立及工作原理

2.1 三維模型的建立

附著式升降腳手架主要有5 部分構成，即動力提升系統(tǒng)、施工防護系統(tǒng)、附著導向卸荷系統(tǒng)、防墜系統(tǒng)及智能載荷控制系統(tǒng)組成，其構造主要依據(jù)建筑結構的外形搭建，由若干個相互獨立的主體單元連接而成，本文所設計的附著式升降腳手架的三維模型如圖1 所示，分析時以一個單元架體為計算對象，單元架體最大跨度為6.0m，跨度內(nèi)立桿縱距2.0m，寬度0.64m，步高2.0m，共7 步腳手板，網(wǎng)片高度1.5m，共8 層網(wǎng)片加一單排，每個機位安裝3 附墻支座、3 卸荷支頂器、3 防墜裝置。腳手架防護總高度13.5m，架體外排立桿高度13.5m，內(nèi)排立桿總高度12m。

圖1 附著式升降腳手架三維模型的建立

2.2 材料參數(shù)的設置

附著式升降架手架主體材料均采用Q235-A制成，仿真時所采用的材料參數(shù)如下：材料密度為7 800kg/m3，彈性模量為201GPa，泊松比為0.3，分析時把材料參數(shù)賦予分析結構上。

2.3 邊界條件的設定

2.3.1 約束的施加

附著式升降腳手架在使用工程中主要存在兩種工況，即提升工況與使用工況。

提升工況過程下只有4 個防傾裝置與導軌相連接，主體機構靠腳手架提升支座支撐，只有在吊點位置含有豎直方向Y位移約束，在ANSYS中通過彈簧單元模擬電動葫蘆與底部橫梁之間的連接，其它導軌與附著支撐部位含有沿X與Z方向的位移，提升支座部位約束3 個方向的位移。

使用工況過程中，腳手架運行到固定位置，根據(jù)實際情況固定底部附墻支座混凝土墻體的豎向和水平向位移，以模擬實際的支座約束情況，對于其他支座僅約束側向位移。由于底部翻板與墻體接觸，因此此部分接觸約束其法向位移，在ANSYS 中使用無摩擦支撐以對接實際的約束。

2.3.2 載荷的施加

腳手架在提升工況使用過程中，同時作業(yè)的層數(shù)為2 層，每層活荷載標準值為0.5kN/m2，本次分析時載荷作用在2 層與3 層，考慮重力加速度的作用9.8m/s2，使風荷載取0.57kN/m2，風向垂直于跨度方向，作用在架體外側結構上。

腳手架在使用工況施工過程中，同時作業(yè)的層數(shù)為2 層，每層施加活載荷標準值3.0kN/m2，載荷作用在腳手架的2 層與3 層，除此之后還需考慮重力加速度的作用9.8m/s2，使用工況風荷載取0.57kN/m2，風向垂直于跨度方向，作用在架體外側結構上。

2.4 仿真參數(shù)的設定

2.4.1 靜力學分析參數(shù)設定

導軌及導軌支撐接觸部位的接觸類型設為采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)設為0.005，接觸行為采用對稱形式，接觸算法采用增強的拉格朗日，節(jié)點探測采用高斯點探測，修剪接觸采用打開，軸向接觸剛度系數(shù)為3，剛度更新采用每一子步更新，切向剛度接觸系數(shù)采用默認，界面處理選擇Adjust to touch，采用基于子步的求解策略，初始子步為50，最小子步為10，最大子步為100，其余參數(shù)選擇默認；其余各部分之間的接觸采用綁定接觸，接觸算法采用MPC，其它設置采用默認。

2.4.2 模態(tài)分析參數(shù)設定

在考慮提升工況下靜力學分析的基礎上，模態(tài)分析時載荷及邊界條件的設置與靜力學分析一致，由于模態(tài)分析只考慮線性狀態(tài)下的分析，因此模態(tài)分析時接觸類型設定為綁定接觸，接觸算法為MPC 算法。

3 仿真結果與分析

3.1 不同工況下的靜力學分析

參數(shù)設置完成后進行非線性靜力學分析迭代計算，得到提升工況下的變形結果如圖2（a)所示，使用工況下的變形結果如圖2（b)所示。

圖2 不同工況下的靜力學分析

由圖2 可知，提升工況下的最大變形發(fā)生在架體頂部，最大變形為34.033mm，最大變形發(fā)生在腳手架頂部。使用工況下的最大變形為33.498mm，最大變形發(fā)生架體底部。由此可知，不同工況下腳手架的變形位置不同，這與其支撐條件有關，由此可知腳手架整體的變形與附墻支座、提升支座及上下吊點關系密切，且載風載荷作用下提升工況下的變形大于使用工況，提升工況對風載荷敏感程度大于使用工況。

3.2 提升工況下的仿真結果及分析

在提升工況靜應力分析的基礎上，得到腳手架前四階振動形態(tài)如圖3 所示，通過對圖中數(shù)據(jù)進行分析處理，得到前四階固有頻率如表1所示。

圖3 提升工況下附著式腳手架的前四階振動形態(tài)

由圖3 可知，提升工況下附著式升降腳手架的第一階振動形態(tài)為腳手架繞X方向的前后擺動，且模態(tài)分析結果最大變形部位發(fā)生在腳手架頂部，此部位機構較剛度較小，模態(tài)分析結果與靜力學分析結果一致，由此可以判定此部位為結構薄弱部位。第二階振動形態(tài)為外側立桿前側繞Y方向的左右扭動，第三階振動形態(tài)為腳手架主體繞X方向的彎曲變形，第四階振動形態(tài)為中間部位繞X方向的前后擺動，提升工況下內(nèi)外立桿及內(nèi)外橫桿的變形最大，此處為結構的薄弱環(huán)節(jié)。由表1 可知，提升工況下結構的固有頻率在0.6871～3.2856Hz 之間，屬于低頻振動。

表1 提升工況下的附著式升降腳手架固有頻率

3.3 使用工況下的仿真結果與分析

在使用工況靜應力分析的基礎上，得到腳手架前六階振動形態(tài)如圖4 所示，通過對圖中數(shù)據(jù)進行分析處理，得到前四階固有頻率如表2所示。

圖4 使用下附著式腳手架的前六階振動形態(tài)

表2 使用工況下的附著式升降腳手架固有頻率

由圖3 可知，使用工況下腳手架主體的第一階振動形態(tài)為水平支承桁架前側大小繞X方向的彎曲變形；第二階振動形態(tài)為水平支承桁架前側繞Y方向的扭轉(zhuǎn)變形；第三階振動形態(tài)為腳手架下部繞Y方向的左右擺動；第四階振動形態(tài)為腳手架繞X方向的前后擺動及扭轉(zhuǎn)變形；由使用工況振動形態(tài)可知，腳手架的內(nèi)外立桿及水平橫桿為薄弱環(huán)節(jié)。由表2 可知，使用工況下腳手架前四階固有頻率在1.3079～5.0141Hz。

4 結論

1）運用三維建模軟件對附著式升降腳手架結構進行設計和靜力學分析，直觀地得到腳手架在不同工況下的變形狀態(tài)，結果表明支撐形式與結構的整體變形關系密切，且風載荷對腳手架在提升工況下的影響大于使用工況。

2）對腳手架在不同工況進行預應力模態(tài)分析，直觀得到了在兩種不同工況下的振動形態(tài)，且前四階固有頻率均屬于低階振動，提升工況下腳手架更易發(fā)生低頻共振。

3）仿真結果與實際情況相吻合，驗證了分析結果的準確性和可靠性，為開展腳手架的優(yōu)化設計及動力學仿真分析提供技術支撐。