輪扣式腳手架足尺架體試驗及抗連續(xù)倒塌性能研究

王 坦,羅 坤,袁志仁,袁 闊,王芙蓉

(長春工程學(xué)院土木工程學(xué)院,長春 130012)

0 引言

近年來,不斷有各種形式腳手架安全事故發(fā)生,為保證輪扣式腳手架的安全性,學(xué)者們進行了一系列的研究工作。李文[1]對輪扣式模板支撐架的搭設(shè)、安全措施及特點進行了詳細分析,并提出了加固措施以提高輪扣式模板支撐架的穩(wěn)定性,對提升輪扣式模板支撐架的安全性具有一定的借鑒作用。楊偉軍等[2]為研究輪扣式鋼管支架節(jié)點在實際使用過程中的連接可靠性,介紹了輪扣節(jié)點的構(gòu)造特點,分析了節(jié)點簡化模型在軸力和彎矩作用下插頭的受力情況,并運用ANSYS模擬了極限拉應(yīng)力和極限正彎矩作用下插頭的反應(yīng),同時,設(shè)計試驗測試了4種平面框架在單側(cè)水平荷載作用下和反復(fù)水平荷載作用后插頭的抗拔力。楊偉軍等[3]設(shè)計了輪扣式鋼管支模架節(jié)點半剛性水平力加載試驗。選用3組試件,通過對試驗現(xiàn)象和所得數(shù)據(jù)的分析及與扣件式鋼管腳手架節(jié)點剛度的對比分析,得出輪扣式鋼管腳手架節(jié)點具有典型的半剛性連接特性。程勇等[4]為研究輪扣式鋼管腳手架的結(jié)構(gòu)性能,對兩跨兩步單元架體進行足尺試驗研究,得到架體的破壞模式、極限承載力和荷載—位移曲線。羅衛(wèi)華[5]針對高支模體系影響因素繁多的特點,采用了全等效初始缺陷法分析了輪扣式高支模架的掃地桿搭設(shè)對其承載力的影響。通過有限元數(shù)值模型分析研究發(fā)現(xiàn),掃地桿的搭設(shè)對輪扣式鋼管支模架的穩(wěn)定承載能力有重要的影響。陳立華等[6]詳細介紹了直插型輪扣式鋼管腳手架的梁體組成和施工中的注意要點,并與扣件式鋼管腳手架做了對比,得出輪扣式鋼管腳手架具有施工安全系數(shù)高、經(jīng)濟效益顯著的特點。陳孟等[7]通過對輪扣式節(jié)點和扣件式節(jié)點進行轉(zhuǎn)角剛度性能試驗對比分析,挖掘輪扣式節(jié)點的優(yōu)缺點,并對其進行改進,提高產(chǎn)品性能,確保施工安全,為更好地推廣應(yīng)用新型輪扣式鋼管支模架提供了技術(shù)支持。王金科等[8]圍繞輪扣式模板支架的施工技術(shù),介紹了其施工工藝原理和流程,并提出了相應(yīng)的工藝控制措施。

現(xiàn)有的研究主要是針對節(jié)點和單元架體的試驗,未見足尺腳手架的試驗研究。缺少針對輪扣式腳手架在特殊工況下,如基礎(chǔ)不均勻沉降等的分析研究。本文的研究主要包括幾個方面:首先通過輪扣式腳手架足尺架體試驗,將得到的相關(guān)試驗結(jié)果作參數(shù),以評價其承載能力;其次,通過合理優(yōu)化有限元模型參數(shù),利用有限元分析能夠較好地模擬試驗結(jié)果;最后通過已經(jīng)優(yōu)化的模型參數(shù),分析在特殊工況,如基礎(chǔ)不均勻沉降的情況下,輪扣式腳手架的抗連續(xù)倒塌性能,并提出優(yōu)化構(gòu)造方案。

1 輪扣式腳手架架體試驗

1.1 試驗方案設(shè)計

根據(jù)GB 51210—2016《建筑施工腳手架安全技術(shù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[9]中附錄A(腳手架力學(xué)性能試驗方法)的規(guī)定,設(shè)計多個架體試驗,分別為四立桿單元架體試驗、九立桿單元架體試驗以及足尺架體結(jié)構(gòu)試驗。表1為各組試驗的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

表1 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

該試驗的目的是通過單元架體試驗和足尺試驗,將單元結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果與其足尺結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果進行對比分析,綜合判定輪扣式腳手架結(jié)構(gòu)的承載能力。

四立桿單元架體試驗:由4根立桿,16根橫桿以及若干斜撐組成的單跨三步單元架體。該試驗對每類步距進行3組對照試驗,對其進行極限承載力破壞試驗,最終試驗結(jié)果為3組試驗有效數(shù)據(jù)的平均值。

九立桿單元架體試驗:由9根立桿,36根橫桿以及若干斜撐組成的兩跨三步單元架體。該試驗對每類步距進行3組對照試驗,最終試驗結(jié)果為3組試驗有效數(shù)據(jù)的平均值。

足尺結(jié)構(gòu)試驗(圖1):由16根立桿,64根橫桿以及若干斜撐組成的三跨三步單元架體。該試驗進行3組對照試驗,取中間立桿的極限承載力平均值作為支撐腳手架足尺結(jié)構(gòu)試驗架體的單立桿極限承載力值。并將九立桿單元結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果與至少1個支撐腳手架足尺結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果進行對比分析,判定檢測結(jié)論。

圖1 足尺加載架體加載系統(tǒng)

為簡化稱呼并與規(guī)范對應(yīng),將四立桿單元簡稱A單元,九立桿單元簡稱C單元。本文以足尺結(jié)構(gòu)架體試驗為例介紹其抗連續(xù)倒塌性能。圖2～3為足尺結(jié)構(gòu)方案設(shè)計圖。

圖2 足尺加載架體加載系統(tǒng)立面示意圖

圖3 足尺加載架體加載系統(tǒng)剖面示意圖

1.2 架體試驗結(jié)果分析

架體試驗結(jié)果分析匯總見表2,輪扣式腳手架與扣件式腳手架極限承載力對比分析匯總見表3。

表2 架體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能試驗結(jié)果分析匯總表 單位:kN

表3 輪扣式腳手架與扣件式腳手架極限承載力[10]對比分析匯總表

本實驗步距為1.2 m的模型尺寸(步距×縱距×橫距)為1.2 m×2.0 m×1.5 m,與本實驗?zāi)Ｐ统叽缦嘟目奂戒摴苤＜芊蔷€性承載力為 49.44 kN,輪扣式鋼管腳手架的承載力為60 kN,比扣件式鋼管支模架的承載力高出近22%。

本實驗步距為1.8 m的模型尺寸(步距×縱距×橫距)為1.8 m×2.0 m×1.5 m,與本實驗?zāi)Ｐ统叽缦嘟目奂戒摴苤＜芊蔷€性承載力為 30.60 kN,輪扣式鋼管腳手架的承載力為50 kN,比扣件式鋼管支模架的承載力高出近64%。

2 輪扣式腳手架架體結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 建立架體結(jié)構(gòu)有限元模型

采用SAP2000有限元軟件,建立各架體試件模型,反復(fù)優(yōu)化實驗參數(shù),以能較準(zhǔn)確地模擬試驗過程。試驗構(gòu)建參數(shù)見表4,圖4為足尺結(jié)構(gòu)模型。

圖4 足尺結(jié)構(gòu)模型

表4 試驗構(gòu)件參數(shù)輸入表

2.2 分析假定

2.2.1 基本假定

將立桿視為一根連續(xù)桿件,即立桿與立桿之間視為無偏心理想連續(xù)剛接;立桿與基礎(chǔ)為剛接;豎向荷載作用于立桿幾何中心;考慮立桿與橫桿之間節(jié)點的半剛性,根據(jù)文獻[11],節(jié)點連接剛度取35( kN·m)/rad;斜撐與立桿之間的節(jié)點視為鉸接;暫不考慮風(fēng)荷載、地震荷載等水平荷載;本分析只研究線彈性階段,考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性,不考慮非線性階段;立桿與橫桿之間的節(jié)點全部剛接,在各縱、橫向水平桿與立桿相交處施加假定的等效水平荷載來考慮全等效初始缺陷的影響。

2.2.2 架體結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果

綜合分析表5的數(shù)據(jù)可得,當(dāng)把輪扣式腳手架架體試驗的初始缺陷設(shè)定為等效水平荷載為理想狀態(tài)下屈曲極限的1.2%時,與試驗結(jié)果最為接近。

表5 架體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能有限元結(jié)果分析匯總表

3 輪扣式腳手架抗連續(xù)倒塌性能分析

3.1 不均勻沉降引起架體連續(xù)倒塌的原因

在施工過程中,由于底層地基土回填不密實或雨水侵入等,造成局部架體的地基沉降,進而使架體結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn),引起架體結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌。

3.2 不均勻沉降工況下架體承載能力分析

在足尺結(jié)構(gòu)試驗的基礎(chǔ)上,通過有限元軟件進行不均勻沉降的模擬,以釋放Y方向一端支座的方式模擬其工況中出現(xiàn)的地基塌陷。根據(jù)規(guī)范要求,結(jié)合工程實際的架體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,在有限元軟件SAP2000中建立一個三步三跨的足尺模型(圖5～6),跨度和步距均為1 200 mm,足尺模型尺寸為3 600 mm×36 00 mm×4 200 mm(長×寬×高)(圖7)。

圖5 足尺試驗有限元模型釋放Y方向左1排支座示意圖

圖6 足尺試驗有限元模型釋放Y方向左2排支座示意圖

圖7 足尺試驗有限元模型

3.2.1 線性屈曲分析

該模型在基本假定的情況下,得出分析結(jié)果,如圖8所示。在線性屈曲工況下屈曲極限荷載為75.29 kN。

圖8 各階模態(tài)屈曲因子統(tǒng)計圖

3.2.2 非線性屈曲分析

根據(jù)2.2.2得到的結(jié)果,取該模型的初始缺陷值為屈曲極限的1.2%,75.29×0.012≈0.9 kN,即在非線性屈曲工況下可得屈曲極限為44.28 kN。因此,本文在此模型的基礎(chǔ)上對模型釋放部分支座進行非線性分析,數(shù)據(jù)匯總見表6～7。圖9為有無豎向剪刀撐腳手架屈曲荷載對比圖。

表6 有豎向剪刀撐腳手架有限元分析模型優(yōu)化情況匯總表

表7 無豎向剪刀撐腳手架有限元分析模型優(yōu)化情況匯總表

圖9 有無豎向剪刀撐腳手架屈曲荷載對比圖

通過對比兩種工況下的腳手架屈曲極限荷載可以看出,有豎向剪刀撐的腳手架的承載力比無豎向剪刀撐的腳手架的承載力提高了近170%,因此可以得出,豎向剪刀撐對實際工程中腳手架的安全性有著十分重要的作用,必須在具有一定危險情況的工況下對腳手架增設(shè)豎向剪刀撐。

4 提升架體抗連續(xù)倒塌能力的構(gòu)造的解決方案

針對前述不均勻沉降所產(chǎn)生的問題,本文提出增加斜撐和水平剪刀撐的解決方式。在前述利用有限元軟件建立的足尺模型的基礎(chǔ)上,假定架體底座延Y方向,有1排或2排支座發(fā)生不均勻沉降,分析其對結(jié)構(gòu)整體受力情況的影響。對釋放Y方向左端1排支座和釋放Y方向左端2排支座這兩種情況進行模擬。

4.1 增設(shè)水平剪刀撐

由表8可以看出,在釋放Y方向左端1排支座的工況下,通過在不同步距位置分別施加水平剪刀撐的措施,得到其極限承載力是逐步提高的,故將水平桿增設(shè)在頂層時其屈曲極限最高,效果最好。屈曲極限最高可提升19.8%,能極大地保障施工的安全。

表8 有剪刀撐腳手架有限元分析模型增設(shè)水平剪刀撐數(shù)據(jù)匯總表

而在釋放Y方向左端2排支座的工況下,通過一樣的方法增設(shè)水平剪刀撐,可以得出,當(dāng)水平桿增設(shè)于第2步距時,其屈曲極限提高了77.5%,在各步距中提高程度最高。表明在此工況下,將水平剪刀撐增設(shè)于第2層將最大程度地提高腳手架的極限承載力,有利于保障工程的安全。

由表9可以看出,在釋放Y方向左端1排支座的工況下,通過在不同步距位置疊加增設(shè)水平剪刀撐的措施,得到其極限承載力是逐步提高的,并且可以發(fā)現(xiàn),前3層疊加承載力提高緩慢,當(dāng)疊加到第4層時,其極限承載力呈爆炸式提升。故從此工況可以側(cè)面體現(xiàn)出第4層增設(shè)水平桿對其屈曲荷載的影響巨大。圖10為水平桿疊加到第4層的工況圖。

圖10 水平桿疊加到第4層的工況圖

表9 有剪刀撐腳手架有限元分析模型疊加增設(shè)水平剪刀撐數(shù)據(jù)匯總表

而在釋放Y方向左端2排支座的工況下,通過一樣的方法增設(shè)水平剪刀撐,可以得出,隨著水平剪刀撐的增設(shè),該工況下的屈曲荷載穩(wěn)步提高。表明在此工況下,將水平剪刀撐增設(shè)于各層將最大程度地提高腳手架的極限承載力,有利于保障工程的安全。

4.2 水平剪刀撐組合斜撐

基于前述組合工況,在釋放Y方向左端1排支座的工況下,在將水平剪刀撐增設(shè)于第4層的基礎(chǔ)上,再對該架體布置增設(shè)斜撐。已知對于腳手架而言,隨著斜撐的增加,其極限承載力也會相應(yīng)增加。該組合工況中在第2步距圍設(shè)斜撐能夠使其在水平剪刀撐增設(shè)于第4層的基礎(chǔ)上提高5.3%的極限承載力,并且效果最佳。

由表10～11中的數(shù)據(jù)可知,在釋放Y方向左端2排支座的工況下,在將水平剪刀撐增設(shè)于第2層的基礎(chǔ)上,對該架體布置增設(shè)斜撐。在該組合工況中圍設(shè)斜撐不能使其在水平剪刀撐增設(shè)于第4層的基礎(chǔ)上提高極限承載力,并且有可能大幅度降低其極限承載力。

表10 有剪刀撐腳手架有限元組合分析模型(釋放1排)數(shù)據(jù)匯總表

表11 有剪刀撐腳手架有限元組合分析模型(釋放2排)數(shù)據(jù)匯總表

5 結(jié)論

通過輪扣式腳手架架體足尺試驗及有限元模擬分析,提出了當(dāng)發(fā)生地基不均勻沉降時,提升架體抗連續(xù)倒塌能力的構(gòu)造解決方案并得出結(jié)論:

1)輪扣式腳手架在足尺試驗中步距為1 800 mm時,其極限承載力約為50 kN;該足尺結(jié)構(gòu)的極限承載力設(shè)計值為22.73 kN,遠大于規(guī)范計算所得的極限承載力設(shè)計值14.4 kN,由此可以說明,該輪扣式腳手架的承載能力滿足要求。

2)本文試驗研究得到的極限承載力值與有限元分析結(jié)果對比可知,假設(shè)節(jié)點為半剛性連接,節(jié)點剛度取35 (kN·m)/rad,對有限元模型施加初始缺陷荷載,等效水平荷載取理想狀態(tài)下屈曲極限的1.2%,此時有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果最為接近。

3)在不均勻沉降的特殊工況下,架體的整體穩(wěn)定性受到極大影響,單桿承受的極限荷載顯著降低。采用增加斜撐的布置,隨著斜撐的增加,架體的極限承載力顯著提高。對于不同程度的地基不均勻沉降,提出相應(yīng)的構(gòu)造解決方案,通過有限元分析結(jié)果來看,可以顯著提高架體結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力。