不同半剛性鋼管腳手架的節(jié)點性能研究

葉 斌

(廣西路橋工程集團有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

鋼管腳手架是在建筑和橋梁工程施工過程中,為施工過程順利而搭建的臨時工作平臺或作業(yè)通道。其在具有較大承載能力的同時,還有裝拆方便、安裝效率高的優(yōu)點,因此具有良好的社會經(jīng)濟效益,被廣泛應(yīng)用于各類橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)的施工當中[1-3]。同時,為了滿足不同工程適應(yīng)性、經(jīng)濟型及安全性等方面的需要,鋼管腳手架亦發(fā)展出了多種不同的結(jié)構(gòu)形式,其中包括由于桿件本身為薄壁桿件的緣故,而導(dǎo)致橫桿、立桿間節(jié)點出現(xiàn)半剛性力學性質(zhì)的半剛性鋼管腳手架,這類支架又以盤扣式腳手架與插銷式腳手架(ADG腳手架)兩類較具代表性[4-5]。

所謂半剛性節(jié)點,即腳手架的連接節(jié)點處并不是鉸接亦不是完全剛接,而是介于鉸接與剛接之間的半剛性連接,因而其在受力時,桿件在承受彎矩的同時,又會在節(jié)點處發(fā)生相對轉(zhuǎn)動[6]。許多學者對半剛性節(jié)點這一特殊力學特性對腳手架性能的影響開展了研究。其中鄒阿鳴等[7]通過在SAP2000中采用三折線模型模擬了碗扣式腳手架節(jié)點的材料非線性以及幾何非線性,建立了碗扣式腳手架的精細化數(shù)值模型,并由此對影響碗扣式腳手架受力性能的因素進行了研究。向洋等[8]通過有限元模擬與試驗對照的方法,驗證了Clough二折線半剛性節(jié)點模型在插銷式腳手架節(jié)點精細化模擬中的準確性。吳福寶等[9]指出半剛性節(jié)點將對腳手架的自振周期產(chǎn)生不可忽略的影響,其中低階模態(tài)所受影響最大。陳少強[10]采用線性剛度模型研究了插銷楔緊度對十字形腳手架半剛性節(jié)點的影響,最終得到支架承載力隨插銷楔入深度的變化規(guī)律。

上述研究探討了半剛性節(jié)點對鋼管腳手架的特殊影響,極大地促進了半剛性腳手架的合理設(shè)計與安全使用。但同時也發(fā)現(xiàn),當前研究對于不同半剛性鋼管腳手架的節(jié)點性能討論并不充分,對不同半剛性鋼管腳手架間節(jié)點性能存在的差異亦未能有詳細研究。為此本文針對上述兩類具有代表性的半剛性鋼管腳手架,即盤扣式腳手架與插銷式腳手架進行建模分析,通過ABAQUS軟件分別建立盤扣式腳手架節(jié)點模型及插銷式腳手架節(jié)點模型,對上述兩類腳手架的節(jié)點性能進行模擬分析,并進行對比研究,所得結(jié)果將為半剛性腳手架設(shè)計選用提供參考。

1 結(jié)構(gòu)模型的建立

盤扣式腳手架起源于德國,后被引入我國,是目前國內(nèi)實際工程中使用較為廣泛的一類腳手架。其主要由立桿、橫桿、圓盤、插銷以及斜桿等部件組成,橫桿和斜桿與立桿通過其上的圓盤插接連接,并通過插銷楔緊,形成幾何不變體系。ADG腳手架又稱插銷式腳手架,是一種自鎖式模塊腳手架,同樣是由立桿、橫桿、斜杠等構(gòu)件組成,與其他類型腳手架的主要區(qū)別是橫桿與立桿的連接方式不同,其橫桿與立桿上分別焊接有U型卡和C型卡,通過插銷將U形卡件與C形卡楔緊固定,從而形成三角形穩(wěn)定架體。本文通過ABAQUS軟件對上述兩類半剛性腳手架節(jié)點進行建模分析。

為便于比較,盤扣式腳手架及插銷式腳手架立桿與橫桿均采用48系桿件進行研究,同時其節(jié)點構(gòu)件尺寸及材質(zhì)均采用實際工程中規(guī)范尺寸進行模擬,其具體參數(shù)如表1所示。

表1 盤扣式腳手架及插銷式腳手架詳細特性及材料參數(shù)表

根據(jù)上述尺寸在ABAQUS軟件中創(chuàng)建三維實體單元并進行模型裝配。為研究腳手架節(jié)點性能,上述兩類腳手架立桿長度均取440 mm,橫桿端部距立桿中心距離取220 mm,橫桿與立桿間的連接為半剛性連接,其本構(gòu)關(guān)系采用二折線模型進行模擬。立桿兩端均設(shè)為剛接,橫桿端部為自由端,依據(jù)測試項目不同,在橫桿端部上作用不同荷載。盤扣式腳手架及插銷式腳手架的節(jié)點模型如圖1及圖2所示。

圖1 盤扣式腳手架節(jié)點模型圖

圖2 插銷式腳手架節(jié)點模型圖

2 半剛性腳手架節(jié)點性能分析

2.1 節(jié)點抗拉性能

通過在節(jié)點模型左右橫桿端部分別施加大小相等、方向相反的拉力,以檢驗節(jié)點的抗拉性能,加載示意圖如圖3所示。采用逐級加載的方式,將0～40 kN的荷載按照每級4 kN的形式逐步施加,最終得到如圖4所示的荷載位移變化曲線。由圖4(a)盤扣式腳手架的荷載位移變化曲線可知,在雙向拉力作用下,腳手架的荷載位移曲線呈現(xiàn)明顯的非線性變化特性,這對應(yīng)于節(jié)點剛度的非線性軟化特征,即隨著荷載的增大,節(jié)點結(jié)構(gòu)處的剛度開始逐漸降低。其具體表現(xiàn)為:在加載的初始階段,即當拉力<20 kN時,節(jié)點剛度幾乎不變,荷載與位移呈線性關(guān)系;而后隨著荷載的進一步增大,即當拉力>20 kN時,節(jié)點剛度開始出現(xiàn)明顯的降低,此時結(jié)構(gòu)進入彈塑性變形階段,在這一階段中,拉力的小幅度增加將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移的大幅增大,這將對結(jié)構(gòu)的安全性能產(chǎn)生不利影響,當荷載繼續(xù)增大時,將可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生延性破壞。同時由于存在塑性變形的緣故,結(jié)構(gòu)在卸載后,將存在不可恢復(fù)的殘余變形,造成構(gòu)件的永久性損害,因而在結(jié)構(gòu)設(shè)計使用中需予以重視。

圖3 節(jié)點抗拉分析加載示意圖

隨后同樣對插銷式腳手架的節(jié)點抗拉性能進行分析,由圖4(b)可知,插銷式腳手架的節(jié)點受拉變化特性與盤扣式腳手架的變化特性相似,其曲線同樣是在初期保持著剛度線性,而后隨著荷載的增大開始呈現(xiàn)非線性特征。兩者有所不同的是,插銷式腳手架開始發(fā)生塑性屈服點的位置要略高于盤扣式腳手架,這一差異的原因主要歸功于兩類腳手架節(jié)點結(jié)構(gòu)形式的不同。當腳手架節(jié)點受拉時,盤扣式腳手架主要依靠盤扣-插銷-鎖頭接觸傳遞應(yīng)力,插銷式腳手架則是通過立柱的U型卡-插銷-橫桿的C型卡接觸傳遞應(yīng)力,這一結(jié)構(gòu)形式不同,使其節(jié)點構(gòu)件的變形程度不同,導(dǎo)致受拉性能存在差異。

2.2 節(jié)點抗彎性能

半剛性鋼管腳手架的節(jié)點抗彎性能是區(qū)分其與其他腳手架的主要特征。半剛性是介于鉸接與剛接之間的連接形式,其在承受彎矩荷載時,在節(jié)點處并不能保持原有夾角,而是在節(jié)點處發(fā)生相對轉(zhuǎn)動,這一半剛性連接特性,通常采用彎矩-轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系來表示。

以下通過在結(jié)構(gòu)節(jié)點模型左右橫桿端部施加豎直向下的集中力,以檢驗半剛性鋼管腳手架節(jié)點的彎曲性能,加載示意圖如下頁圖5所示。有限元模擬采用逐級加載的方式,將0～5 kN的荷載按照每級0.5 kN的形式逐步施加,最終提取得到如下頁圖6所示的彎矩-轉(zhuǎn)角變化曲線。

圖5 節(jié)點抗彎分析加載示意圖

(a)盤扣式腳手架

由圖6(a)盤扣式腳手架節(jié)點彎矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系可以看出,隨著節(jié)點所承受彎矩的逐漸增大,節(jié)點處產(chǎn)生了由彈性變形逐漸過渡到彈塑性變形的過程,節(jié)點的抗彎剛度存在顯著的非線性特征。當節(jié)點彎矩<0.77 kN·m時,節(jié)點彎矩與轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系接近線性變化,此時節(jié)點處于彈性彎曲變形階段,節(jié)點抗彎剛度維持不變。而當節(jié)點所承受彎矩>0.77 kN·m時,節(jié)點彎矩與節(jié)點轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線開始出現(xiàn)非線性,節(jié)點的抗彎剛度隨著節(jié)點彎矩的增大而逐漸降低,導(dǎo)致節(jié)點轉(zhuǎn)角迅速增大。節(jié)點彎矩產(chǎn)生非線性的原因是,由于在節(jié)點彎矩的作用下,橫桿會將彎矩傳遞到鎖頭,而后鎖頭再傳遞給插銷及圓盤,最終圓盤將彎矩傳遞到立桿處,完成荷載的傳遞過程,而在這一傳遞過程中,由于各個構(gòu)件發(fā)生塑性變形和相對移動,最終導(dǎo)致節(jié)點的抗彎剛度出現(xiàn)了非線性特征。

隨后對圖6(b)插銷式腳手架節(jié)點抗彎進行分析可知,節(jié)點轉(zhuǎn)角與彎矩的變化同樣是由線性變形發(fā)展到彈塑性變形的過程。通過與圖4比較可知,兩類半剛性腳手架的主要區(qū)別是,彈性與彈塑性變形分界點對應(yīng)的節(jié)點彎矩不同,盤扣式腳手架節(jié)點開始發(fā)生彈塑性變形的臨界節(jié)點彎矩要大于插銷式腳手架。

2.3 結(jié)果分析

通過分析上述節(jié)點受拉及受彎性能可知,這兩類半剛性腳手架在拉力和彎矩作用下,均出現(xiàn)了明顯的非線性現(xiàn)象,荷載與變形首先維持線性狀態(tài),達到臨界屈服點后,節(jié)點剛度開始軟化,荷載與節(jié)點變形轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性關(guān)系,此階段中隨著荷載的小幅度增加,將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形的迅速增大。此外發(fā)現(xiàn),盤扣式腳手架在受拉力作用時,其屈服荷載高于插銷式腳手架,而在受彎矩作用時,其屈服荷載低于插銷式腳手架。

3 結(jié)語

本文通過ABAQUS軟件分別建立了盤扣式腳手架節(jié)點模型及插銷式腳手架節(jié)點模型,隨后對兩類半剛性腳手架節(jié)點的抗拉以及抗彎性能進行了模擬分析,得到如下結(jié)論:

(1)兩類半剛性腳手架在拉力和彎矩作用下,其荷載曲線均出現(xiàn)了由線性變化關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性變化關(guān)系的現(xiàn)象,節(jié)點剛度隨著荷載的增加而發(fā)生軟化。

(2)經(jīng)進一步對比節(jié)點屈服荷載發(fā)現(xiàn),在節(jié)點抗拉承載能力方面插銷式腳手架要略優(yōu)于盤扣式腳手架,而在節(jié)點抗彎承載能力方面盤扣式腳手架則要優(yōu)于插銷式腳手架。

理清半剛性腳手架的節(jié)點特性以及不同腳手架的受力性能,將有助于幫助工程現(xiàn)場進行臨時腳手架設(shè)備的選取,為施工現(xiàn)場安全提供保障。