基于ANSYS的附著式升降腳手架桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

岳桂杰,保承軍

(蘭州城市學院 培黎機械工程學院，甘肅 蘭州 730070)

附著式升降腳手架是一種新型的腳手架系統(tǒng)，俗稱爬架。一般應用于各種設計類型的高層和超高層房屋建筑及外形一致的高聳建筑物的施工防護[1]；適用于現(xiàn)澆剪力墻、框架、圓弧陽臺、挑板等復雜外形的施工[2]。主要應用于高層剪力墻式樓盤，可以沿著建筑物往上攀升或下降。

應用ANSYS軟件對一種智能腳手架架體進行有限元分析，旨在通過分析找出架體在添加單個桁架、多個桁架和不添加桁架的工況下，架體的應力及變形情況，從而找出最佳設計方案。

1 有限元模型建立

由AutoCAD軟件建立三維線性架體模型，并通過相應的格式轉(zhuǎn)換導入ANSYS軟件中進行操作。嚴格按照腳手架設計尺寸賦予截面相應的尺寸和屬性，從而在有限元軟件中建立一個合理的有限元模型[2]。架體由鋼管、鋼板組成，均采用Q235結(jié)構(gòu)用鋼，材料屬性見表1。其中桿件單元選用BEAM188單元，板件單元選用SHELL181單元。

表1 材料屬性設置

2 網(wǎng)格劃分

架體中網(wǎng)格劃分采用系統(tǒng)默認的劃分方式[3]，架體模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 架體網(wǎng)格劃分

3 荷載及約束條件設置

根據(jù)腳手架架體實際工作中的附著情況，在每層、每個導軌與建筑物接觸的位置施加兩個固定約束，在二、三層板上施加每層3 000 N的均布荷載，如圖2所示。

4 架體在各種工況下的計算結(jié)果

架體在一般工作狀態(tài)下主要受到豎向荷載的作用，其中架體自重和施工時的荷載為本次著重分析考慮的影響因素。架體拼裝完整后一共5層，為了防止架體在安全使用時的變形，在兩層中間均設置了鋼桁架，分別分析不設置鋼桁架、設置1、2、3和4處及全部設置鋼桁架時10種不同工況下最大豎向位移、最大應力和極限撓度及極限應力值的變化，從而找出架體桁架設置的最經(jīng)濟合理方式[4-5]。

圖2 架體荷載及約束分布

4.1 工況1：不設置鋼桁架

1) 各方向位移情況。

在不添加鋼桁架的情況下，水平位移的值均比較小，不影響架體的安全使用，因此不作為此次分析的主要內(nèi)容，故在以下工況下不再分析。其中各方向位移情況如圖3所示，圖片為放大20倍的效果。

從圖3中可以看出，Y向(豎向)位移最大處數(shù)值為30.064 3 mm，中跨處的立桿隨板件變化較大，撓度超出了撓度限制值20 mm(板跨度的1/150)，顯然此時變形過大，不符合安全使用條件。

(a) X向

(b) Y向

(c)Z向圖3 不設置鋼桁架時的各向位移(位移單位為mm、應力單位為MPa)

2) 等效應力情況。

此時應力接近極限應力，最大位置出現(xiàn)在左起第四組立桿與二層踏板接觸的位置，具體情況如圖4所示。

圖4 不設置鋼桁架時的等效應力(單位：MPa)

4.2 工況2：僅設置一、二層間的大桁架。

在設置一、二層間大桁架的工況下，最大位移撓度值為17.3 mm，小于撓度限值20 mm，可安全使用，具體如圖5所示。最大應力出現(xiàn)的位置不同于不放置桁架時的位置，此時在左起第四組立桿與三層踏板交接處，數(shù)值為186.97 MPa，小于極限荷載值，具體如圖6所示。

圖5 設置一、二層間的大桁架時的豎向位移(單位：mm)

圖6 設置一、二層間的大桁架時的等效應力 (單位：MPa)

與工況1和2的計算分析相似，利用ANSYS軟件分別計算工況3(一、二層間的大桁架和二、三層間的小桁架)、工況4(一、二層間的大桁架和三、四層間的小桁架)、工況5(一、二層間的大桁架和四、五層間的小桁架)、工況6(一、二層間的大桁架和三、四、五層間的小桁架)、工況7(一、二層間的大桁架和二、三、四層間的小桁架)、工況8(四道桁架全部設置)、工況9(最上部雙層小桁架)、工況10(最上部為單層小桁架)下的最大豎向位移、最大應力和極限撓度及極限應力值的變化，結(jié)果見表2所示。

表2 各種工況下豎向位移及等效應力

5 計算結(jié)果分析

通過對各種工況下設置不同桁架數(shù)量的對比分析，可以看到不同設置情況下結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移有較大影響。為便于敘述,文中將桁架自底部向上依次簡稱為底部大桁架、二層小桁架、三層小桁架、頂部小桁架。計算結(jié)果為：① 所有類型架體在自重及施工荷載作用下平面外變形較小；② 架體在不設置桁架時的變形和應力情況與設置桁架時有明顯不同；說明桁架對整體結(jié)構(gòu)的位移具有控制作用。架體不設置桁架時板的撓度超過了限值，最大應力也超過了材料的極限值，故實際工程中該架體必須設置桁架；③ 架體最大位移出現(xiàn)在踏板上，最大應力出現(xiàn)在左起第四組立桿與二層或三層踏板接觸的位置；④ 架體全部設置桁架時的最大位移和最大應力與同時設置底部大桁架和頂部小桁架時的情況很接近，并且結(jié)合其余各工況分析結(jié)果，本架體在同時設置底部和頂部桁架后，不需要設置中間兩道桁架;⑤ 當僅設置一道桁架時(底部大桁架或頂部小桁架)，頂部小桁架在位移和應力結(jié)果上要稍稍優(yōu)于底部大桁架，但設置雙層桁架會影響內(nèi)層施工人員的操作空間，從綠色節(jié)能，提高利用的角度出發(fā)[6]，結(jié)合頂層小桁架僅設置單層的分析結(jié)果，此架體設置一道底部大桁架是較為經(jīng)濟合理有效的方案。

通過以上分析結(jié)果可知，單純設置一道桁架(底部大桁架或頂部小桁架)時的最大內(nèi)力和位移可滿足要求?？紤]到工程現(xiàn)場的不確定性，為了保證架體的整體安全與穩(wěn)定，建議設置底部大桁架附加一道小桁架，小桁架的位置可根據(jù)施工現(xiàn)場設置，其余部分的桁架可以不設置，這樣可保證結(jié)構(gòu)安全和整體穩(wěn)定[7]。