附著式升降腳手架靜力有限元分析

劉光明 李鵬舉 徐 彬 崔利鵬 王寧鉑 邱 凱

(1.中鐵城建集團第一工程有限公司，山西 太原 030024； 2.山東大學，山東 濟南 250100)

1 概述

為了滿足城市化進程中國用地面積需求的不斷增長，建筑結(jié)構(gòu)開始向高層及超高層建筑發(fā)展。高層及超高層建筑施工難度較高，高空作業(yè)風險較大，為保障其施工過程的安全性、高效性，腳手架輔助施工工藝應(yīng)運而生[1]。附著式升降腳手架具有防傾覆、防墜落的功能，大大降低了高層建筑施工過程中的安全風險，相比于傳統(tǒng)腳手架，附著式升降腳手架可利用自身的升降動力設(shè)備實現(xiàn)逐層爬升的功能，大大提高了自身的機動性，節(jié)省了人力成本，提高了材料周轉(zhuǎn)率，廣泛應(yīng)用于目前的高層建筑施工過程中[2-4]。

附著式升降腳手架主體多為薄壁鋼構(gòu)件，其力學性能受到高度關(guān)注，國內(nèi)學者對此作出大量研究。東南大學王帆等[5]對爬架升降不同步工況進行研究，結(jié)果表明升降不同步對剛性腳手架影響較大；同濟大學李國強[6]通過風洞試驗得到了腳手架的阻力系數(shù)，對腳手架的工程應(yīng)用提出了優(yōu)化意見；南京工業(yè)大學戈文思[7]對架體組合提升與偏心提升共同作用下的力學特性進行了研究，并提出了相應(yīng)的補強措施。

綜上所述，目前國內(nèi)學者通過大量試驗及理論分析對附著式腳手架力學性能作出分析研究。為了提高有限元軟件在附著式腳手架力學性能研究中的應(yīng)用，使用大型有限元軟件ANSYS對濟南市某在建異形超高層項目附著式升降腳手架進行模擬，分析其力學特性，總結(jié)架體受力規(guī)律，分析架體受力薄弱部位，為實際工程應(yīng)用提供參考。

2 工程概況

本文基于濟南市某異形超高層在建項目，該本項目由1棟34F主塔樓及其6F裙房、2F整體地下車庫組成，其中主塔樓建筑高度為165.5 m，結(jié)構(gòu)類型為框架—核心筒，樓層邊柱均為傾斜型鋼混凝土柱，每根柱切斜角度不同。本工程34F主塔施工至第7層后開始搭設(shè)附著式腳手架，直至主塔主體結(jié)構(gòu)封頂后，完成爬架高空拆除。

3 有限元模型的建立

3.1 材料參數(shù)

所取附著式腳手架每榀外排高度20 m，內(nèi)排高度18 m，架體寬度0.6 m，水平跨度為10 m。使用有限元軟件ANSYS進行建模分析，模型整體采用Beam188單元進行模擬，采用理想剛接模擬螺栓連接[8]，架體構(gòu)件材料均為Q235鋼材，容許應(yīng)力為205 MPa，材料參數(shù)見表1，架體材料截面尺寸見表2，有限元模型見圖1。

表1 模型材料參數(shù)

表2 附著式升降腳手架構(gòu)件尺寸表

3.2 荷載組合及荷載施加

實際應(yīng)用中附著式腳手架所受荷載可分為恒載、活載以及風荷載，其中恒載為架體及設(shè)備自重，活載包括施工人員及機具荷載等，風荷載為空氣流動作用于腳手架迎風面上的荷載。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，不同工況下活載取值見表3。

表3 施工活荷載標準值

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，風荷載采用式(1)計算：

Wk=βz·μz·μs·W0

(1)

其中，Wk為荷載效應(yīng)組合設(shè)計值,kN/m2；βz為風振系數(shù)；μz為風壓高度變化系數(shù)，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[9]確定；μs為腳手架風荷載體型系數(shù)；W0為基本風壓，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[9]取值。

經(jīng)計算正常工作工況：

Wk=βz·μz·μs·W0=1 316.1 N/m2。

提升工況：

Wk=βz·μz·μs·W0=658.05 N/m2。

采用ANSYS有限元軟件中的Acel命令對模型施加重力加速度模擬架體自重荷載；考慮到實際工程應(yīng)用中施工人員多在頂上兩層腳手板活動，且機具、材料等多堆放于頂上兩層腳手板，因此選取每榀腳手架頂上兩層施加人員及機具、材料活載，同時將腳手板板面活載按照等效原則轉(zhuǎn)換至兩長邊施加，以更好地模擬主框架傳力特性；實際工程中風荷載直接作用在沖孔防護網(wǎng)片，然后通過接觸將力傳遞至米字型桁架，因此模擬過程中直接將風荷載轉(zhuǎn)化為桁架所受面荷載，再通過sfbeam命令施加于米字型桁架之上。荷載施加情況見圖2。

模型考慮正常使用及提升階段兩種工況，并按以下兩種荷載效應(yīng)組合進行分析：1)恒載+施工活載；2)永久荷載+0.9(施工荷載值+風荷載)。

實際工程中正常使用工況下附著式腳手架每榀設(shè)6個附墻支座，因此有限元模型中將爬架對應(yīng)位置處橫桿自由度全部約束；爬架提升時最下層兩個附墻支座需暫時拆除，故爬架提升工作工況下考慮每榀4個附墻支座，約束相應(yīng)自由度。

4 有限元分析結(jié)果

4.1 正常工作工況

4.1.1 荷載組合1

圖3～圖7為正常工作工況荷載組合1下爬架應(yīng)力及變形圖，由圖可知：架體變形整體呈現(xiàn)S型，最大位移發(fā)生在架體頂部懸挑位置，最大位移為3.37 mm；爬架最大應(yīng)力為58 MPa，腳手板處最大應(yīng)力為13.1 MPa，均處于容許范圍內(nèi)。

4.1.2 荷載組合2

圖8～圖12為正常工作工況荷載組合2下爬架應(yīng)力及變形圖，由圖可知：架體變形整體呈現(xiàn)向內(nèi)彎曲的趨勢，且頂部位移明顯大于底部位移，最大位移出現(xiàn)于爬架頂部，為20 mm；爬架最大應(yīng)力為98.24 MPa，腳手板最大應(yīng)力為16.2 MPa，均處于容許范圍內(nèi)。結(jié)合表4可知：正常使用工況考慮風荷載的荷載組合2下的爬架應(yīng)力、變形明顯大于未考慮風荷載的荷載組合1下，其中架體最大位移增大約5倍，架體最大應(yīng)力增大約69.4%，腳手板最大應(yīng)力增大約23.7%。

表4 正常工作工況荷載分析匯總表

4.2 提升工況

4.2.1 荷載組合1

圖13～圖17為提升工況荷載組合1下爬架應(yīng)力及變形圖，由圖可知：架體于約束處產(chǎn)生折角變形，且架體上部變形明顯大于下部，最大位移為17.4 mm，原因是提升工況下架體僅設(shè)4個附墻支座，架體重心整體下移，導致架體上部懸臂長度較正常使用工況下增大；爬架最大應(yīng)力為145.5 MPa,腳手板最大應(yīng)力為33.9 MPa，均處于容許范圍內(nèi)。

4.2.2 荷載組合2

圖18～圖22為提升工況荷載組合1下爬架應(yīng)力及變形圖，由圖可知：爬架整體變形呈弧形，最大位移發(fā)生在架體懸挑頂部，為23.64 mm；架體最大應(yīng)力為93 MPa，腳手板最大應(yīng)力為15.8 MPa，均處于容許范圍內(nèi)。結(jié)合表5可知：提升工況考慮風荷載的荷載組合2下的爬架應(yīng)力、變形明顯大于未考慮風荷載的荷載組合1下，其中架體最大位移增大35.9%，架體最大應(yīng)力增大約36%，腳手板最大應(yīng)力增大約53.4%。同時對比表4可知，提升工況下風荷載對爬架主體應(yīng)力、變形的不利影響均小于正常使用工作工況下。

表5 提升工況荷載分析匯總表

5 結(jié)語

利用有限元軟件ANSYS對附著式腳手架在兩種工況、兩種荷載組合下的靜力特性進行分析，總結(jié)其受力及變形規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1)各種工況及荷載組合下爬架架體應(yīng)力、位移及腳手板位移均處于容許范圍內(nèi)。各種工況下爬架架體最大應(yīng)力均出現(xiàn)于三角桁架與導軌橫桿相連接處，建議實際工程中對此處截面進行加強。

2)各種工況及荷載組合下爬架主要發(fā)生平面外彎曲變形，說明爬架平面外剛度小于平面內(nèi)剛度，實際工程中可通過適當增設(shè)附墻支座等方式提高架體平面外剛度，防止架體變形過大。

3)風荷載施加后爬架位移明顯增大，尤其是架體頂部位移，考慮風荷載后不同工況下最大位移分別增加了約500%和36%；風荷載的施加對正常工況下爬架受力產(chǎn)生較為顯著的不利影響，但在一定程度上改善了提升工況下的爬架受力情況。

4)爬架提升工況下的應(yīng)力、位移均大于正常工作工況，說明架體提升時施工風險高于正常工作時，實際工程中架體提升應(yīng)嚴格按照規(guī)程操作。