不同工況下基于MIDAS/FEA模型的腳手架可調(diào)托撐托板計(jì)算分析*

程 驥，龔晉徳，陳亞麗

(中建新疆建工(集團(tuán))有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)腳手架可調(diào)托撐托板設(shè)計(jì)尺寸的規(guī)定不統(tǒng)一，導(dǎo)致建筑企業(yè)在應(yīng)用過(guò)程中難以把握，易在設(shè)計(jì)和施工中出現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)而引起較大工程事故。

在JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》中第3.4.3條規(guī)定，可調(diào)托撐受壓承載力的設(shè)計(jì)值不應(yīng)低于40kN，支托板板厚不應(yīng)小于5mm[1]；而在DB 37/5008—2014《建筑施工直插盤銷式模板支架安全技術(shù)規(guī)范》中第3.2.9條則認(rèn)為，可調(diào)托撐托板宜采用Q235B鋼板制作，厚度不應(yīng)小于5mm，另外可調(diào)托撐托板應(yīng)設(shè)置開(kāi)口擋板，擋板高度不應(yīng)小于40mm，同時(shí)可調(diào)托撐受壓承載力的設(shè)計(jì)值也不應(yīng)小于40kN[2]；而在YB/T 9251—94《組合鋼模板質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中第7.3.1條規(guī)定，底板與頂板厚度應(yīng)為6mm，允許偏差范圍在[-0.60mm，0.40mm][3]； 在CFSA/T 02∶2014《臺(tái)式模板早拆體系施工技術(shù)規(guī)程》中第4.0.5條規(guī)定，支撐頂板的平面尺寸不應(yīng)小于100mm×100mm，厚度不應(yīng)小于8mm[4]；與此同時(shí)，在GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》中對(duì)Q235B級(jí)鋼的規(guī)定是，支撐頭尺寸宜選取150mm ×150mm，板材厚度不得小于6mm，支撐頭受壓承載力設(shè)計(jì)值不應(yīng)低于40kN[5-6]；同時(shí)，也有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，如牛學(xué)超等[7]通過(guò)試驗(yàn)研究得到可調(diào)托撐長(zhǎng)度，U托螺桿伸出長(zhǎng)度取 300mm 較為安全。

從以上規(guī)范和相關(guān)學(xué)者的研究可看出[8-9]，現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)腳手架可調(diào)托撐托板設(shè)計(jì)尺寸的規(guī)定并不統(tǒng)一。針對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不一致和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員對(duì)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的把握不一致問(wèn)題，本文依托住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目“裝配式建筑體系集成化創(chuàng)新應(yīng)用研究與示范”進(jìn)行課題研究，選取3種工況利用MIDAS/FEA建立實(shí)體有限元模型。計(jì)算模型按實(shí)際材料類型采用實(shí)體單位模擬結(jié)構(gòu)，對(duì)不同工況進(jìn)行計(jì)算分析，分析托板的位移、應(yīng)變、應(yīng)力情況，給出分析結(jié)果和合理建議，對(duì)于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工具有較大意義。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 標(biāo)準(zhǔn)模型

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，可調(diào)托撐的受壓極限承載力不應(yīng)低于50kN。與此同時(shí)，可調(diào)托撐支托板側(cè)翼高度不宜低于30mm，側(cè)翼外皮距離不宜小于110mm，且不宜大于150mm。支托板長(zhǎng)要求不宜小于90mm，支托板厚不應(yīng)低于5mm，如圖1所示。

圖1 可調(diào)托撐托板構(gòu)造

1.2 計(jì)算模型

與二維平面標(biāo)準(zhǔn)模型相同，在三維實(shí)體計(jì)算模型中可調(diào)托撐受壓極限承載力仍應(yīng)≥50kN，可調(diào)托撐支托板側(cè)翼高度宜≥30mm，側(cè)翼外皮距離宜≥110mm，且宜≤150mm，支托板長(zhǎng)宜≥90mm，支托板厚應(yīng)≥5mm。三維實(shí)體模型如圖2所示。

圖2 可調(diào)托撐托板三維實(shí)體模型

1.3 計(jì)算方案

針對(duì)不同工況下腳手架可調(diào)托撐支托板側(cè)翼外皮距離a、支托板長(zhǎng)b、支托板厚t，在不同的極限承載力作用下進(jìn)行有限元計(jì)算，得到不同工況下的位移、應(yīng)力及范梅塞斯應(yīng)力等值線云圖，計(jì)算方案如表1所示。

表1 計(jì)算方案

2 模擬分析

2.1 工況1條件下位移、應(yīng)變及應(yīng)力分析

當(dāng)a=110mm，b=90mm，t=5mm時(shí)，受壓極限承載力≥50kN，得到相應(yīng)的位移、應(yīng)變和范梅塞斯應(yīng)力等值線云圖，如圖3所示。

圖3 工況1 a=110mm時(shí)計(jì)算結(jié)果

分析圖3可知，當(dāng)前條件下托板位置最大位移發(fā)生于托板側(cè)翼，最大變形值為0.5mm，其余處變形均較小；而應(yīng)變處在彈性應(yīng)變范圍內(nèi)；范梅塞斯應(yīng)力等值線云圖的最大應(yīng)力為285MPa，4.2%的單元應(yīng)>215MPa，超過(guò)規(guī)范允許的鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(215MPa)，其中超過(guò)部分均處在可調(diào)托撐的螺桿與支架托板焊接處，該處存在應(yīng)力集中情況。

當(dāng)a=150mm，b=90mm，t=5mm時(shí)，受壓極限承載力≥50kN，分析相應(yīng)的位移、應(yīng)變和范梅塞斯應(yīng)力等值線云圖可知，托板位置最大位移發(fā)生于托板側(cè)翼，最大變形值為1.05mm，其余處變形均較??；應(yīng)變處在彈性應(yīng)變范圍內(nèi)；最大應(yīng)力為453MPa，發(fā)生于可調(diào)托撐的螺桿與支架托板焊接處，且在托板中部位置處(大面積單元應(yīng)力在202～85MPa)，超過(guò)規(guī)范允許的鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(215MPa)，結(jié)構(gòu)不滿足要求，故應(yīng)重新考慮取值。

2.2 工況2條件下位移、應(yīng)變及應(yīng)力分析

當(dāng)a=110mm，b=90mm，t=6mm時(shí)，受壓極限承載力≥50kN，由得到的位移、應(yīng)變和范梅塞斯應(yīng)力等值線云圖可知，當(dāng)前條件下托板位置最大位移發(fā)生于托板側(cè)翼，最大變形值為0.408mm，其余處變形均較??；應(yīng)變處在彈性應(yīng)變范圍內(nèi)；范梅塞斯應(yīng)力等值線云圖的最大應(yīng)力為215MPa，均處在規(guī)范允許的鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215MPa范圍內(nèi)，此時(shí)最大應(yīng)力出現(xiàn)在可調(diào)托撐的螺桿與支架托板焊接處。

當(dāng)a=150mm，b=90mm，t=6mm時(shí)，受壓極限承載力≥50kN，由計(jì)算可知，此時(shí)托板位置最大位移發(fā)生于托板側(cè)翼，最大變形值為0.73mm，其余處變形均較??；應(yīng)變處在彈性應(yīng)變范圍內(nèi)；范梅塞斯應(yīng)力等值線云圖的最大應(yīng)力為339MPa，處在可調(diào)托撐的螺桿與支架托板焊接處，超過(guò)規(guī)范允許的鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(215MPa)的單元占比為11.3%，且超出部分處在托板中部位置居多，結(jié)構(gòu)不能滿足要求，所以應(yīng)重新考慮取值。

2.3 工況3條件下位移、應(yīng)變及應(yīng)力分析

由a=110mm計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)前條件下托板位置最大位移發(fā)生于托板側(cè)翼，最大變形值為0.33mm，其余處變形均較小；應(yīng)變處在彈性應(yīng)變范圍內(nèi)；范梅塞斯應(yīng)力等值線云圖，最大應(yīng)力為174.8MPa，均處在規(guī)范允許的鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(215MPa)范圍內(nèi)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在可調(diào)托撐的螺桿與支架托板焊接處。

由a=150mm計(jì)算結(jié)果可知，托板位置最大位移發(fā)生于托板側(cè)翼，最大變形值為0.62mm，其余處變形均較小；應(yīng)變處在彈性應(yīng)變范圍內(nèi)；范梅塞斯應(yīng)力等值線云圖最大應(yīng)力為247MPa，超過(guò)規(guī)范允許的鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(215MPa)的單元占比為1%，均處于可調(diào)托撐的螺桿與支架托板焊接處，并且超出部分所占比例非常小，可判定為滿足計(jì)算要求。

通過(guò)對(duì)工況1～3條件下的腳手架可調(diào)托撐托板分別進(jìn)行MIDAS/FEA有限元建模分析可知，僅工況3滿足要求。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同工況下腳手架可調(diào)托撐托板進(jìn)行建模分析，得到對(duì)應(yīng)工況下托撐托板的位移、應(yīng)變、應(yīng)力變化情況，綜合計(jì)算部分和參考規(guī)范部分的相關(guān)結(jié)果，建議腳手架可調(diào)托撐設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下要求。

1)腳手架的可調(diào)托撐受壓承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)≥40kN。

2)可調(diào)托撐支托板側(cè)翼高度的設(shè)計(jì)值宜≥30mm，側(cè)翼外皮距離的設(shè)計(jì)值宜≥110mm，且宜≤150mm。

3)可調(diào)托撐支托板的板長(zhǎng)宜≥90mm，支托板的板厚應(yīng)≥6mm。