附著式升降腳手架現(xiàn)場試驗研究與有限元分析

候丹濤 曾凡奎, 郭 君

(1.西安工業(yè)大學(xué) a.建筑工程學(xué)院; b.西安市軍民兩用土木工程測試技術(shù)毀損分析重點實驗室, 陜西 西安 710021；2.西安云端工程科技有限公司, 陜西 西安 710075)

附著式升降腳手架在經(jīng)過多年的改進(jìn)與發(fā)展之后，已從原來的半鋼附著式升降腳手架發(fā)展到如今的全鋼附著式升降腳手架，因其相較于傳統(tǒng)腳手架具有經(jīng)久耐用、節(jié)能環(huán)保以及周轉(zhuǎn)速度快等特點，被廣泛地應(yīng)用于高層和超高層建筑施工中，成為了住建部近年來推廣的“十大施工新技術(shù)”之一[1]。然而伴隨著該項新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，一些安全事故也隨之發(fā)生，設(shè)計上存在的缺陷和施工人員對該項新技術(shù)的認(rèn)識不足是事故發(fā)生的主要原因。

目前，我國對于附著式升降腳手架的研究已經(jīng)取得了一定成果。白鳳美[2]結(jié)合腳手架安全技術(shù)規(guī)范,建立了附著式升降腳手架傾覆和墜落事故風(fēng)險評價指標(biāo)體系,為進(jìn)行附著式升降腳手架的安全評估提供了一種新方法；劉曉旭[3]采用有限差分方法建立包括支座在內(nèi)的精細(xì)化數(shù)值模型,對不同支座情況下,支座及架體的應(yīng)力及位移情況進(jìn)行計算，為設(shè)計人員在選取不同支座時提供了參考；梁華[4]通過研究一種附著式升降腳手架同步升降控制系統(tǒng)模型以及PID控制器優(yōu)化方法，設(shè)計了同步升降控制器，保證了架體各機位的載荷均勻；王秀麗[5,6]利用有限元分析軟件ANSYS對整個架體在不同位移工況下的響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了支撐點應(yīng)力和轉(zhuǎn)角位移隨位移差值的變化規(guī)律，為不同步運動下了解架體的轉(zhuǎn)角和位移關(guān)系，以及架體此時的最大應(yīng)力點奠定了基礎(chǔ)；同時，還通過有限元模擬與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，繪制了兩個新型附著節(jié)點的應(yīng)力位移曲線，得到了新型附著節(jié)點與鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接的力學(xué)性能，為新型節(jié)點在鋼結(jié)構(gòu)上的布置提供了依據(jù)；潘為民[7]通過研究附著式升降腳手架承受的風(fēng)荷載，為實際工程中進(jìn)行腳手架的風(fēng)振分析提供了參考依據(jù)。周磊[8]依托工程實際，通過研究傾斜工況下使用附著式升降腳手架，提出在綜合考量附著式升降腳手架結(jié)構(gòu)受力和位移的情況下，應(yīng)將附著式升降腳手架的內(nèi)傾角和外傾角控制在3°以內(nèi)。石夢琪[9]通過運用BIM技術(shù)，從工程量統(tǒng)計、施工平面布置、可視化交底及安全管理4方面敘述附著式升降腳手架的信息化、規(guī)范化管理，有效提高了操作人員的施工效率和操作安裝的準(zhǔn)確度，且增強了施工現(xiàn)場的安全生產(chǎn)管控能力。同時，傳感技術(shù)[10～13]在附著式升降腳手架同步控制上的應(yīng)用，有效地提高了架體的同步運動性、通信的穩(wěn)定性和操作的靈活性，并大幅降低了施工成本。劉劍鋒[14]將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與附著式升降腳手架的安全管理結(jié)合起來，研究論述了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的附著式升降腳手架安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。盧龍玉[15,16]利用SAP2000和ABAQUS兩種有限元軟件，對新型鋁合金附著式升降腳手架進(jìn)行正常使用情況下的整體穩(wěn)定性和構(gòu)件內(nèi)力分析。通過分析應(yīng)力和應(yīng)變云圖，并與建筑規(guī)范計算的結(jié)果進(jìn)行比較，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修正，并進(jìn)一步簡化了計算模型，從而為鋁合金附著式升降腳手架的設(shè)計和施工提出實用性建議。

綜上所述，附著式升降腳手架的研究主要集中在安全管理、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、設(shè)計計算等方面，而對附著式升降腳手架在現(xiàn)場施工條件下架體內(nèi)力分析方面的研究較少。因此，通過對咸陽市某在建工程中使用的附著式升降腳手架進(jìn)行現(xiàn)場試驗，并采用有限元對提升階段和使用階段下的架體進(jìn)行數(shù)值模擬，研究該附著式升降腳手架在提升階段和使用階段下架體桿件的受力特性和規(guī)律，以期為附著式升降腳手架的設(shè)計計算提供參考。

1 工程概況

該工程為咸陽市某住宅小區(qū)1期項目，試驗區(qū)域位于9#樓，采用最新型的全鋼附著式升降腳手架，搭設(shè)高度14 m，寬度為0.6 m，離墻間距0.4 m，架體的內(nèi)立桿采用50 mm×50 mm×3 mm鋼管，外立桿采用50 mm×70 mm×4 mm鋼管，立桿分為4，5 m兩種規(guī)格，橫桿與斜撐也為50 mm×50 mm×3 mm鋼管，橫桿的規(guī)格為2 m，架體的跨距和步距均為2 m，桿件之間均通過螺栓連接為整體，架體的外立面采用鋼立網(wǎng)框作為防護構(gòu)件，鋼立網(wǎng)框不僅起著防護作用，而且還兼具剪刀撐的功能。

試驗區(qū)域選取附著式升降腳手架的典型受力部位，具體為9#樓西南側(cè)，根據(jù)9#樓的架體布置圖和現(xiàn)場的實際情況，以31和32兩個機位之間跨度4 m的單元架體作為試驗區(qū)域，如圖1所示。分別選取31號機位和32號機位的內(nèi)外立桿各2根、底部斜桿各1根、下吊點各1個以及兩個機位之間的橫桿和斜桿各2根作為研究對象。

圖1 測試區(qū)域/mm

立桿從下至上分別設(shè)置2個測點(LN-11代表第一根內(nèi)立桿LN-1的第一個應(yīng)變計，位于吊點下部，距離內(nèi)立桿底部 50 cm處；LW-11代表第一根外立桿LW-1的第一個應(yīng)變計，距離外立桿底部50 cm處；LN-12和LW-12位于上部支座與中部支座之間，距離架體中部7 m處；立桿測點均布置在桿件內(nèi)側(cè))，每個機位的內(nèi)外立桿之間下部各有一個斜桿和吊點(X-1表示第一個機位內(nèi)外立桿下部的第一個應(yīng)變計，以此類推)，兩個機位之間的橫桿和斜桿各布置2個測點(H-1代表第一根橫桿的第一個應(yīng)變計，X-2代表兩個機位之間第一根斜桿的第一個應(yīng)變計，D-1表示第一個機位處的第一個應(yīng)變計，以此類推)，測點布置詳圖見圖2。

圖2 測點布置

各桿件的試驗均采用YBM工具式表面應(yīng)變計和uT7116靜態(tài)應(yīng)變儀采集數(shù)據(jù)，現(xiàn)場應(yīng)變計布置與應(yīng)變儀連接如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場布置

2 現(xiàn)場試驗分析

2.1 提升階段下桿件內(nèi)力分析

2.1.1 立桿受力分析

提升階段的時間相對較少，架體從開始提升至提升到位總共耗時大約20 min。立桿LN-1，LN-2，LW-1，LW-2均位于建筑的西南面，應(yīng)力曲線如圖4所示。分析立桿測點的應(yīng)力曲線變化趨勢，發(fā)現(xiàn)內(nèi)立桿測點的應(yīng)力曲線近似呈直線，主要是由于內(nèi)立桿與導(dǎo)軌連接在一起，導(dǎo)軌在導(dǎo)向輪的約束下帶動內(nèi)立桿緩緩上升，使其受到拉應(yīng)力作用，且拉應(yīng)力增長比較平緩；外立桿測點的應(yīng)力曲線呈拋物線，是因為外立桿在最底部支座拆除之后，有向外凸出的趨勢，外立桿此時沒有側(cè)向約束，此時外立桿測點承受的為壓應(yīng)力，且增長速度較快。立桿上部測點的應(yīng)力大于立桿下部測點的應(yīng)力，主要原因在于底部支座拆除之后，架體此時只有4個支座起到約束，同時架體在自重和電動葫蘆拉力作用下，應(yīng)力集中在架體中部，使得上部測點的應(yīng)力總是大于下部測點。

圖4 提升階段立桿應(yīng)力

2.1.2 斜桿受力分析

斜桿測點X-1，X-4位于豎向主框架的下部，測點X-2，X-3位于水平支承桁架處，其提升階段應(yīng)力曲線如圖5所示。由圖5可知，豎向主框架下部的斜桿測點應(yīng)力曲線呈上升趨勢，是由于內(nèi)立桿在電動葫蘆拉力的作用下，其斜桿受到了內(nèi)立桿傳遞過來的拉力，斜桿測點拉應(yīng)力的增長趨勢與內(nèi)立桿測點基本相同；水平支承桁架處的斜桿測點應(yīng)力曲線變化比較平緩，斜桿在兩端豎向主框架上升的過程中，中間部位的斜桿受到了兩端傳遞過來的反作用力，使其測點一直承受壓應(yīng)力。

圖5 提升階段斜桿應(yīng)力

2.1.3 橫桿受力分析

提升階段橫桿應(yīng)力曲線如圖6所示。由圖6可以發(fā)現(xiàn)橫桿測點H-1，H-2的應(yīng)力曲線先有小幅上升，然后再趨于平緩，主要因為電動葫蘆在啟動的瞬間架體產(chǎn)生輕微晃動，導(dǎo)致應(yīng)力曲線波動，待電動葫蘆運行平穩(wěn)之后，橫桿測點上應(yīng)力曲線基本保持不變。

圖6 提升階段橫桿應(yīng)力

2.1.4 吊點應(yīng)力分析

吊點D-1，D-2作為與電動葫蘆直接接觸的構(gòu)件，起到將全部荷載傳遞給電動葫蘆的作用，吊點在此階段一直處于受拉狀態(tài)，其應(yīng)力曲線如圖7所示，D-1，D-2的應(yīng)力曲線基本一致，起先均有小幅度的增加，然后應(yīng)力曲線基本一致，這主要是開始提升時的架體晃動導(dǎo)致，到后期提升平穩(wěn)后，D-1,D-2的應(yīng)力值基本相當(dāng)。

圖7 提升階段吊點應(yīng)力

2.2 使用階段下桿件內(nèi)力分析

2.2.1 立桿受力分析

使用階段共采集了7 d，按照每天24 h取其平均值作為最終研究數(shù)據(jù)。此階段的立桿LN-1，LN-2，LW-1，LW-2的應(yīng)力曲線(圖8)與提升階段相比，波動現(xiàn)象更為明顯。由圖8可知，內(nèi)立桿測點仍然承受的是拉應(yīng)力，應(yīng)力曲線波動較大，主要是由于有工人在上面進(jìn)行支模板以及澆筑混凝土作業(yè)，從而引起的波動；外立桿測點始終承受著壓應(yīng)力，應(yīng)力曲線波動比內(nèi)立桿更加明顯，應(yīng)力曲線先有增大是因為工人在上面進(jìn)行施工作業(yè)，再到減小是施工作業(yè)的結(jié)束以及人員的撤離，桿件內(nèi)力有了明顯變化，同時外立桿測點應(yīng)力曲線波動的另一個原因是在試驗期間有著較大的風(fēng)，風(fēng)荷載直接作用在與外立桿相連的鋼立網(wǎng)框上，造成了此現(xiàn)象的發(fā)生；同時，立桿上部測點的應(yīng)力大于下部測點的應(yīng)力，是因為架體構(gòu)造因素造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖8 使用階段立桿應(yīng)力

2.2.2 斜桿受力分析

由斜桿測點應(yīng)力曲線(圖9)可知，在使用階段豎向主框架斜桿測點的應(yīng)力曲線波動要比水平支承桁架斜桿測點的小，但斜桿承受的應(yīng)力值要大于提升階段，是由于架體上部有工人施工和材料堆載，豎向主框架斜桿承受的是內(nèi)立桿和外立桿下部懸挑部位的荷載，而水平支承桁架斜桿承受著架體上部的所有荷載，因此水平支承桁架斜桿測點的應(yīng)力值較大且易波動。

圖9 使用階段斜桿應(yīng)力

2.2.3 橫桿受力分析

如圖10所示，橫桿測點H-1，H-2應(yīng)力曲線波動較明顯，上部施工人員的活動以及混凝土澆筑作業(yè)是應(yīng)力值增加的主要原因。

圖10 使用階段橫桿應(yīng)力

2.2.4 吊點應(yīng)力分析

吊點是架體在提升階段最主要的受力構(gòu)件，在提升階段起著連接電動葫蘆，拉動架體上升的關(guān)鍵作用，當(dāng)架體提升結(jié)束，吊點連接的電動葫蘆將同時起到防墜功能，進(jìn)而吊點依然承受著拉應(yīng)力，但通過該階段的應(yīng)力曲線圖11便會發(fā)現(xiàn)，此時的拉應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于提升階段的拉應(yīng)力，是因為絕大部分荷載已通過附墻支座傳遞給建筑物，吊點處僅承受較小荷載。

圖11 使用階段吊點應(yīng)力

2.3 實測值與計算值對比分析

將應(yīng)力實測值與理論計算值進(jìn)行對比分析，見表1。

表1 實測值與計算值匯總 MPa

通過表1可以發(fā)現(xiàn)，提升階段立桿測點的實測應(yīng)力值小于理論計算應(yīng)力值，而斜桿測點和橫桿測點的最大應(yīng)力值則有大于計算值的現(xiàn)象，是由于提升階段架體較大的自重以及電動葫蘆的拉力作用，導(dǎo)致下部桿件受力較大。使用階段測點的最大應(yīng)力實測值呈現(xiàn)大于理論計算值的現(xiàn)象，立桿測點的最大應(yīng)力值比理論計算值大了16%，斜桿測點大了15%，橫桿測點大了23%，是因為在使用階段，架體上面還堆載有材料，造成實測值大于計算值的情況。實測最大應(yīng)力值為σ=117.5 MPa<[σ]=205 MPa，桿件處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 有限元數(shù)值模擬

3.1 模型建立

本文以兩個機位間距4 m的架體為研究對象，模型的建立尺寸為長4 m，寬0.6 m，高14 m，桿件均采用beam188單元，構(gòu)件材料均為Q235鋼材，根據(jù)架體的實際約束情況，提升階段在最下層支座處只施加y方向的平動約束，上部支座施加3個方向的平動約束和轉(zhuǎn)動約束，在使用階段下對3個支座均施加3個方向的平動約束以及3個方向的轉(zhuǎn)動約束，構(gòu)件截面尺寸見表2。

表2 附著式升降腳手架構(gòu)件尺寸

3.2 荷載取值

根據(jù)JGJ 202—2010《建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，附著式升降腳手架應(yīng)按最不利荷載組合計算，按照提升階段和使用階段分別將荷載施加在節(jié)點上，內(nèi)立桿不考慮風(fēng)荷載的作用，外立桿考慮風(fēng)荷載的作用，取值如表3。

表3 架體節(jié)點荷載取值

3.3 實測值與模擬值對比分析

根據(jù)有限元模擬結(jié)果可知：架體無論是在提升階段，還是在使用階段，最大應(yīng)力點始終出現(xiàn)在架體中部，且立桿均呈現(xiàn)中部應(yīng)力值大于下部應(yīng)力值的現(xiàn)象，這與現(xiàn)場試驗結(jié)果保持一致。見圖12,13。

圖12 提升階段應(yīng)力

圖13 使用階段應(yīng)力

將架體的實測值與模擬值進(jìn)行對比分析見表4所示。

表4 實測值與模擬值匯總 MPa

通過表4可知，架體在提升階段和使用階段的桿件模擬值，均在實測值的范圍之內(nèi)，且模擬最大應(yīng)力值為σ=118.2 MPa<[σ]=205 MPa，桿件仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，實測最大應(yīng)力值與模擬值最大誤差在10%以內(nèi)，與試驗結(jié)果較好吻合，這也證明了模型的正確性。

4 結(jié) 論

通過對咸陽市某工程中使用的附著式升降腳手架進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測試驗，并采用有限元對提升階段和使用階段下的架體進(jìn)行模擬分析，得到了以下結(jié)論：

(1)立桿的中部實測應(yīng)力值始終大于下部實測應(yīng)力值，在實際施工中應(yīng)該多加注意立桿中部的變化情況;

(2)外立桿應(yīng)力值大于內(nèi)立桿應(yīng)力值，且應(yīng)力值曲線波動較大，主要是由于風(fēng)荷載的影響，在進(jìn)行外立桿受力計算時，應(yīng)著重考慮風(fēng)荷載的影響;

(3)使用階段架體斜桿和橫桿的最大應(yīng)力值大于理論計算應(yīng)力值，最大應(yīng)力值超出了理論計算值23%，是因為管理上的不規(guī)范，導(dǎo)致在架體上有材料堆載的現(xiàn)象，應(yīng)該加強此方面的管理工作。