內(nèi)置鋼索盤扣式腳手架抗倒塌性能研究

摘 要：【目的】傳統(tǒng)盤扣式腳手架倒塌事故頻發(fā)，為解決這一問題，提出一種內(nèi)置鋼索的盤扣式腳手架，通過增設(shè)帶有初始預(yù)拉力的鋼索來提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力?！痉椒ā坎捎肁NSYS軟件對4組盤扣式腳手架模型進行抗連續(xù)倒塌性能分析，研究設(shè)置3種荷載工況，并對比分析4組模型在這些工況下的表現(xiàn)?！窘Y(jié)果】研究發(fā)現(xiàn)，僅用帶預(yù)拉力鋼索代替斜桿的模型（MJ-2）并不能有效提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力，而在結(jié)構(gòu)內(nèi)部增設(shè)帶預(yù)拉力鋼索的模型（MJ-3）和在此基礎(chǔ)上再將斜桿替換成帶預(yù)拉力鋼索的模型（MJ-4）能顯著改善構(gòu)件破壞后的安全性和穩(wěn)定性。然而，在1.6 kN荷載下，MJ-3和MJ-4模型由于鋼索初始拉力過大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的向上位移，對結(jié)構(gòu)的安全性不利。【結(jié)論】增設(shè)帶初始預(yù)拉力的鋼索可以顯著提高盤扣式腳手架的抗倒塌能力，后續(xù)研究將進一步優(yōu)化鋼索初始拉力參數(shù)，并對中柱破壞和角柱破壞的影響進行更深入的分析。

關(guān)鍵詞：盤扣式腳手架；抗倒塌；拆除構(gòu)件法；有限元分析

中圖分類號：TU391" " "文獻標(biāo)志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）23-0056-08

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.23.012

Study on the Collapse Performance of Bell-Spigot Type Scaffold with Built-in Steel Cables

Peng Jingfeng1" " PAN Ziyu1" " CAO Wenbin1" "CHEN Runhao1" "WEN Dechao1" " PENG Yibin2

（1.Guangzhou Salvage Bureau， Guangzhou 510320， China; 2.School of Civil Engineering， Changsha University of Science and Technology，Changsha 410114， China）

Abstract： [Purposes] The collapse accidents of traditional bell-spigot type scaffold occur frequently. In order to solve this problem， this paper proposes a bell-spigot type scaffold with built-in steel cables， which improves the collapse resistance of the structure by adding steel cables with initial pre-tension. [Methods] In this paper， ANSYS software was used to analyze the progressive collapse resistance of four groups of bell-spigot type scaffold models. Three load conditions were set up in the study， and the performance of the four groups of models under these conditions was compared and analyzed. [Findings] It is found that the collapse resistance of the structure can not be effectively improved by only using the model with pre-tensioned cables instead of inclined rods （ MJ-2 ）. However， the model with pre-tensioned cables （ MJ-3 ） and the model with inclined rods replaced by pre-tensioned cables （ MJ-4 ） can significantly improve the safety and stability of the structure after failure. However， under the load of 1.6 kN， the MJ-3 and MJ-4 models have a large upward displacement of the structure due to the excessive initial tension of the cable， which is unfavorable to the safety of the structure. [Conclusions] The addition of steel cables with initial pre-tension can significantly improve the collapse resistance of bell-spigot type scaffold. The subsequent research will further optimize the initial tension parameters of steel cables， and analyze the influence of middle column failure and corner column failure.

Keywords： bell-spigot type scaffold; collapse-resistant; member removal method; finite element analysis

0 引言

腳手架結(jié)構(gòu)被大量用于不同的施工環(huán)境中，它是建筑施工過程中常用的施工工具，也是為了保證施工過程順利進行而搭設(shè)的工作平臺。目前，在建筑施工中，腳手架按照構(gòu)造方式不同可以分為碗扣式腳手架、輪扣式腳手架、扣件式腳手架和盤扣式腳手架［1］。其中，盤扣式腳手架作為一種新型承插式的鋼管腳手架，具有搭設(shè)簡單、承載力較大、造價較低等優(yōu)點，能更好地滿足施工要求，應(yīng)用范圍廣泛，是工地使用腳手架的大趨勢［2］。

近些年來，盤扣式腳手架連續(xù)倒塌導(dǎo)致的安全事故時有發(fā)生，盤扣式腳手架由于構(gòu)造缺陷、產(chǎn)品質(zhì)量問題及安全管理落后等多種因素，在振動沖擊荷載、風(fēng)荷載或過大集中荷載的作用下，容易發(fā)生架體破壞和整體連續(xù)失穩(wěn)倒塌［3］。因此，許多學(xué)者對于盤扣式腳手架進行了試驗研究和理論分析，如胡威力等［4］對盤扣式腳手架的節(jié)點進行了受力性能分析；劉京紅等［5］設(shè)計了不同斜桿布置的腳手架結(jié)構(gòu)，得到斜桿為對角布置時能夠使結(jié)構(gòu)整體不易發(fā)生水平傾倒和豎向屈曲失穩(wěn)；陳龍等［6］對盤扣式模板支架受力影響因素進行了分析。隨著建筑產(chǎn)業(yè)的不斷進步，多功能、大跨度及大空間結(jié)構(gòu)的建筑越來越多，施工難度和危險性都明顯增加，對盤扣式腳手架的安全性、可靠性及抗連續(xù)倒塌性能提出了更高的要求。

針對以上盤扣式腳手架存在的潛在問題，本研究提出了一種內(nèi)置鋼索的盤扣式腳手架，利用內(nèi)置的鋼索提高腳手架體系的抗倒塌能力，有效提高腳手架結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

1 有限元分析

1.1 有限元模型驗證

本研究根據(jù)韓源彬等［7］的研究中的屈曲分析模型，建立ANSYS的盤扣式腳手架有限元模型，結(jié)構(gòu)如圖1所示，構(gòu)件參數(shù)見表1。本研究選擇桿件的初始缺陷為1/1 000，得到分析數(shù)據(jù)與文獻中的數(shù)據(jù)進行對比，如圖2所示。兩者的最大荷載分別為369.75 kN和370.15 kN，僅相差0.1%，但最大荷載發(fā)生前及發(fā)生時的位移兩者相差較大，這是因為兩者所采用的材料本構(gòu)關(guān)系不同導(dǎo)致的，本研究采用的是Q345鋼材的理想本構(gòu)模型，在線彈性階段比文獻中模型所使用的材料剛度大，從而導(dǎo)致兩者在屈服前的位移差距明顯。所以本研究所采用的建模方法具有良好的適用性。

1.2 分析方法

本研究主要采用拆除構(gòu)件法（Alternate Path Method，簡稱AP法）進行分析，通過有選擇性地拆除結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件，模擬結(jié)構(gòu)的初始破壞，然后通過有限元分析剩余結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布及變形情況，跟蹤結(jié)構(gòu)破壞的發(fā)展過程［8］。拆除構(gòu)件后通過不同的分析方法，考慮不同的荷載工況，適當(dāng)修正材料的應(yīng)變率，可以得到較為真實的荷載傳遞路徑，并且可以充分考慮材料、幾何非線性，以及考慮桿件失效帶來的動力效應(yīng)，可以更為客觀、準(zhǔn)確地表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的倒塌情況。

為了更好地分析構(gòu)件破壞所造成的影響，本研究利用ANSYS軟件自帶的單元“生死功能”，在模型完成上一個荷載步后，將特定的單元“殺死”，然后繼續(xù)進行第二個荷載步分析。這種方法能夠更好地模擬單元的非線性動力行為［9］。

1.3 內(nèi)置鋼索的盤扣式腳手架模型建立

通過ANSYS有限元分析軟件建立4組兩榀兩跨兩層的腳手架模型，如圖3所示，模型結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。橫桿和立桿材料為Q345，斜桿材料為Q195。橫桿和立桿采用BEAM188單元，斜桿采用LINK180單元，鋼索直徑為8 mm，采用LINK10單元并設(shè)置為僅受拉，為其添加10 kN初始拉力。模型底部約束3個方向的平動自由度，頂部設(shè)置為自由端，假定所有荷載平均作用于模型頂部所有節(jié)點。假定各個桿件都相交于一點，斜桿和鋼索與立桿的連接均為鉸接，橫桿和立桿為采用彈簧單元COMBIN14的半剛性連接。

為分析該內(nèi)置鋼索的盤扣式腳手架抗連續(xù)倒塌性能，選擇邊柱立桿的破壞作為研究內(nèi)容，并設(shè)置了3組荷載工況，分別為：①參照《施工腳手架通用規(guī)范》［10］，取面荷載5 kN/m2，即每根立桿施加1.6 kN的荷載；②每根立桿施加7 kN的荷載；③每根立桿施加15 kN的荷載。

2 抗連續(xù)倒塌分析計算

2.1" 1.6 kN荷載下構(gòu)件失效分析

1.6 kN荷載下各模型在構(gòu)件失效后的位移云圖和應(yīng)力云圖如圖4至圖7所示，構(gòu)件失效后各模型的最大豎向位移和最大應(yīng)力對比見表3。

由表3可知，MJ-2模型在構(gòu)件破壞前后的內(nèi)部

應(yīng)力和最大位移均大于MJ-1模型，這說明僅僅將斜桿替換為帶預(yù)拉力的鋼索并不能很好地提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力，甚至有可能會加劇構(gòu)件破壞后的危害程度。對于MJ-3和MJ-4模型，雖然破壞后最大位移比MJ-1模型小，但由于其內(nèi)部鋼索施加的預(yù)拉力較大，導(dǎo)致構(gòu)件在破壞后呈現(xiàn)的最大位移是向上的，并且結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力也大于MJ-1試件。

由圖4至圖7可知，MJ-1模型的最大應(yīng)力發(fā)生在橫桿上，而其他模型的最大應(yīng)力均發(fā)生在立桿上。而對于一般的盤扣式腳手架來說，立桿所采用的材料比橫桿所采用的材料強度更高，這說明帶有預(yù)拉力鋼索的結(jié)構(gòu)在一定程度上更能保證構(gòu)件破壞后的安全性。

2.2 7 kN荷載下構(gòu)件失效分析

7 kN荷載下各模型在構(gòu)件失效后的位移云圖和應(yīng)力云圖如圖8至圖11所示，構(gòu)件失效后各模型的最大豎向位移和最大應(yīng)力對比見表4。

由表4可知，MJ-2模型在構(gòu)件破壞前后的內(nèi)部應(yīng)力和最大位移仍然大于MJ-1模型，MJ-3和MJ-4模型在構(gòu)件破壞前雖然內(nèi)部應(yīng)力和最大位移大于MJ-1模型，但在構(gòu)件破壞后，最大位移和內(nèi)部應(yīng)力有了明顯的減小。

由圖8至圖11 可知，MJ-1和MJ-2模型在構(gòu)件破壞后，位移都發(fā)生在破壞部位上方連接處的桿件，其他部位的位移較小，而MJ-3和MJ-4模型在構(gòu)件破壞后，通過內(nèi)置鋼索的作用，破壞部位的位移大大減小，其他部位的位移有所增加，使局部破壞造成的影響由整體結(jié)構(gòu)來承擔(dān)，增強了結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力。并且從應(yīng)力圖可以看出，MJ-3和MJ-4模型的最大應(yīng)力均發(fā)生在立桿上， 這比MJ-1和MJ-2模型最大應(yīng)力發(fā)生在橫桿上要好。

2.3 15 kN荷載下構(gòu)件失效分析

15 kN荷載下各模型在構(gòu)件失效后的位移云圖和應(yīng)力云圖如圖12至圖15所示，構(gòu)件失效后各模型的最大豎向位移和最大應(yīng)力對比見表5。

由表5可知，MJ-2模型的抗連續(xù)倒塌能力仍然比MJ-1模型差，而MJ-3和MJ-4模型在15 kN荷載下，與MJ-1模型的對比更加明顯，并且相較于MJ-4模型，MJ-3模型的抗連續(xù)倒塌能力更好。

由圖12至圖15可知，MJ-1模型和MJ-2模型的位移主要發(fā)生在破壞部位的局部區(qū)域，而MJ-3和MJ-4模型，雖然相較于7 kN荷載時，其他部位的位移略有減小，但仍然能夠看出構(gòu)件破壞造成的影響通過內(nèi)置鋼索使整體結(jié)構(gòu)一同承擔(dān)，減小了腳手架結(jié)構(gòu)由于局部破壞過大而造成結(jié)構(gòu)整體連續(xù)倒塌的危害程度。由應(yīng)力圖可知，模型的最大應(yīng)力絕大多數(shù)發(fā)生在構(gòu)件破壞部位的上方連接處，并且MJ-3和MJ-4模型的最大應(yīng)力仍發(fā)生在立桿上。

3 結(jié)論

①通過利用ANSYS建立腳手架模型，并與已有的論文數(shù)據(jù)進行對比，最大荷載相差0.1%，最大荷載發(fā)生時兩者的位移相差32%左右，這是因為兩者采用的材料本構(gòu)關(guān)系不同，本研究采用的是理想的本構(gòu)模型，在線彈性階段的材料剛度較大，從而導(dǎo)致兩者在屈服前的位移差距明顯，因此誤差在可接受范圍之內(nèi)，證明了ANSYS有限元模型的適用性。

②在不同的荷載工況下，MJ-2模型在構(gòu)件破壞前后的內(nèi)部應(yīng)力和最大位移均大于MJ-1模型。這表明僅僅將斜桿替換為帶預(yù)拉力的鋼索并不能有效提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力，甚至可能會加劇構(gòu)件破壞后的危害程度。

③從應(yīng)力云圖可以看出，MJ-1模型的最大應(yīng)力均發(fā)生在橫桿上，而MJ-3和MJ-4模型的最大應(yīng)力則發(fā)生在立桿上。一般情況下立桿所采用的材料強度優(yōu)于橫桿，這表示含有內(nèi)部預(yù)拉力鋼索的結(jié)構(gòu)在一定程度上能更好地保證構(gòu)件破壞后的安全性。

④根據(jù)4組模型的對比結(jié)果，確定了各個模型的抗連續(xù)倒塌性能：MJ-3＞MJ-4＞MJ-1＞MJ-2。但在1.6 kN荷載下，MJ-3和MJ-4模型的最大位移是向上的，這表明給鋼索施加的初始拉力過大。在以后研究中應(yīng)以鋼索的初始拉力大小作為參數(shù)進行分析。

⑤本研究具有一定的局限性，僅針對邊柱立桿的破壞進行分析，沒有考慮內(nèi)置鋼索對中柱破壞或者角柱破壞的影響，后續(xù)會對此展開更加全面的研究。

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