整體搭設的門式鋼管腳手架穩定性分析

何文佳,曾慶敦

(華南理工大學 土木與交通學院,廣東 廣州510640)

門式鋼管腳手架是20世紀80年代初從國外引進的一種多功能型腳手架,它應用范圍非常廣泛。既可作為高層建筑、高聳構筑物施工用的結構和裝修用腳手架,又可用于結構、設備安裝等滿堂腳手架,還用于建筑、橋梁、隧道、地鐵等工程施工的模板支撐架。正因為腳手架在現在的工程建設中應用的如此廣泛,所以建立合理的理論計算模型,采用正確的分析方法來校核整體搭設門架的穩定性,對于避免腳手架整體坍塌事故具有重要意義。本文建立的有限元模型依據是廣州市番禺區某腳手架廠所生產的外墻專用門式鋼管腳手架的設計圖紙,該廠生產的腳手架主要用于外墻腳手架裝飾工程、主體工程和模板支撐系統。

1 計算模型

1.1 門架材料的基本參數

根據《建筑施工門式鋼管腳手架安全技術規范》(JGJ128-2000),在計算模型中統一采用Q235鋼,楊氏模量取2.05×105N/mm2,泊松比取0.3,密度取7.85g/cm3。模型實例常量按實際取5種截面常數,具體對應如下:

腳手架四個立桿為φ 42×2鋼管,平拉桿與交叉拉桿為φ 22×1.3mm鋼管,門型架橫桿為φ 42×1.7鋼管,門型架拱形加強桿為φ 28×1.1鋼管,腳踏板等效簡化為2根φ 50×7鋼管(其質量與實際的腳踏板的質量相同),單榀門架高1,900mm,門架之間的跨度為1,830mm。

1.2 有限元計算模型

在實際施工中,腳手架置于混凝土地面或托架上,支撐條件只能視為鉸接,因此,在理論分析中,支座按鉸接處理。

上、下層門架是通過連接芯棒承插式連接,芯棒外徑與門架立桿內徑存在一些間隙,門架之間的連接介于半剛性和剛性之間,在本文中上下門架之間的連接全部采用剛接。如何對節點的半剛性進行模擬,建立更精細的分析模型是一個有待進一步解決的問題。

交叉支撐是掛在立桿的鎖銷上的,兩交叉支撐之間使用螺栓連接,可以自由轉動,因此,交叉支撐只能看作是二力桿,各節點均視為鉸接。

放置腳手板時,用半圓形的掛扣固定在門架橫桿上,起到約束相鄰兩榀門架相對位置變化的作用,但無法傳遞彎矩,這種情況假定為鉸接節點。

連墻件是將門架與房屋主體結構相連的桿件,只起到傳遞拉力和壓力的作用,可簡化為二力桿。為了簡化模型,在計算模型中并未建出連墻件的單元,只是在連墻件的布置位置增加了一個鉸接點,以約束腳手架和墻體之間的位移。

門架立桿、橫桿、加強桿件是通過焊接而成,可視為一個整體,各節點假定為剛性節點。

根據上述具體參數和計算模型說明,運用有限元軟件ANSYS所建立的三跨六步門架理論計算模型簡圖如圖1所示。

1.3 門架穩定性分析

穩定性分析的方法和基本原理:為了對所建立的門架模型進行失穩計算,采用特征值屈曲分析的方法,來獲取所搭設的腳手架整體結構的失穩極限荷載。該分析方法的基本原理為:在整體門架上施加指定荷載,通過計算,當獲得的一階屈曲特征值為1時,施加的荷載皆為模型的失穩荷載;當獲得的一階屈曲特征值大于1時,施加的荷載則還未達到失穩荷載,整體結構還是穩定的。

特征值屈曲分析的基本步驟:特征值屈曲分析一般由以下4個步驟組成:(1)建立模型。與大多數分析相似,在這一步中,應該確定工作文件名、分析標題,然后使用前處理器定義單元類型、單元實常數、材料的性質以及幾何模型等。(2)獲得靜力解。該步驟與一般靜力分析過程相一致,但是需要注意必須激活預應力影響PSTRES,特征值屈曲分析需要計算應力剛度矩陣。(3)獲得特征值屈曲解。獲得特征值屈曲解的步驟:其一,進入ANSYS求解器;其二,定義分析類型和分析選項;其三,定義載荷步選項;其四,開始進行求解;其五,退出求解器。(4)拓展結果如果想要觀察屈曲的變形結果,必須對結果進行拓展。

2 門架整體穩定性計算

2.1 穩定性計算結果

采用逐步加載法,當在三跨六步門架結構模型(如圖1所示)上施加200kN的荷載時(200kN荷載在模型8根立桿上均布施加,如圖1黑點所示),同時對該結構施加自重,可計算出屈曲一階特征值為1.002,此時模型失穩。模型的一階失穩模態圖如圖2所示。

從圖2可知,模型門架在平面內失穩,一階失穩模態平面內最大的位移發生在第一層門架和第二層門架的連接處。一階失穩特征值為1.002,略大于1,因此門架的極限失穩荷載略大于200kN。

國家建筑工程質量監督檢驗中心對該腳手架進行了三跨六步的真型試驗,試驗結果表明,當施加至200kN的荷載時,結構發生了較明顯的屈曲變形,但卸載后結構的變形基本恢復。本文的計算結果表明,采用屈曲分析獲得的三跨六步門架模型的模擬失穩極限荷載與試驗結果比較吻合,因此,本文所建立的三跨六步門架有限元計算模型是可行的,可以較準確地預估整體搭設門架的穩定性問題或極限承載力。

2.2 穩定性分析

門械架荷載載標準如下:

1)結構自重產生的軸向力標準值NG K1:廣州某單位生產的外墻專用門式鋼管腳手架立桿選用φ 42×2鋼管,單位長度質量為1.973 kg/m,橫桿選用φ 42×1.7,單位長度質量為1.690 kg/m,加固件采用φ 28×1.1鋼管,單位長度質量為0.730 kg/m。故結構自重產生的單根立桿的軸向力標準值為NGK1=0.027 4kN/m。

2)附件自重產生的軸向力標準值NGK2:腳手板為掛扣式軋鋼腳手板,重14.35kg/個,按最大量同時全部鋪設。十字拉桿長2 198mm,單位長度質量0.664kg/m,水平拉桿長1 830mm,單位長度質量 0.664kg/m,連接棒長 200mm,采用 φ 34×1.7鋼管,單位長度質量1.354kg/m。密目安全網產生于計算單元上的線載采用《建筑結構荷載規范》(GBJ-9)標準,取 0.061 4kN/m,基本風壓值w0=0.55kN/m2。

根據以上參數,可算得附件自重產生的單根立桿的軸向力標準值。其中外力桿NGK2外=0.124 kN/m;內立桿 NGK2內=0.062kN/m。

3)施工荷載產生的軸向力標準值:采用兩個作業層同時作業,由規范(JGJ128-2000)標準取Qik=5.0kN/m2,內外立桿各承擔一半,故施工荷載產生的單根立桿的軸向力標準值為

4)風荷載對腳手架產生的軸向力標準值:A類地區搭設高度30m時的風壓高度系數可由《建筑結構荷載規范》(GBJ-9)中查表得 μz=1.8,45m時由插值法求得 μz=1.975,擋風面積根據規范(GBJ-9)規定計算。

門架的 b=0.80m,h0=1.90m,跨距 l=1.83 m,交叉支撐長度l1=2.198m,水平桿長l2=1.83 m,故擋風面積為0.352m2。其中考慮固件的加大系數為1.2。

因此擋風系數Φ為:Φ1=擋風面積/迎風面積=0.101 34

立網擋風系數按網目3.5cm×3.5cm、繩徑按3.2mm計算

則立網全封閉腳手架風荷載體型系數為(參照標準取 μd=1.2φ)

式中 μstw—按桁架確定的風荷載體型系數。

故風荷載標準值根據規范(JGJ128-2000)為

作用于腳手架計算單元的風荷載標準值為qk=wk×l=0.587kN/m

風荷載對腳手架計算單元產生的彎矩標準值,按規范(JGJ128-2000)有kN/m。

單根立桿的最大軸向力設計值N。作用于一榀門架的最大軸向力設計值由規范(JGJ128-2000)的規定求出,其值應進行兩種荷載組合的計算,即對于不組合風荷載和組合風荷載兩種情況進行計算,取兩種工況計算結果的最大值作為最不利軸力。

當鼎立外墻專用門式鋼管腳手架的搭設高度設定為H=30m時,有如下計算結果。

組合風荷載時,應參照規范(JGJ128-2000)式(5.2.1-3)計算

當門式鋼管腳手架的搭設高度設定為 H=45m時,與上述計算步驟類似,求得考慮風荷載組合的單根立桿的最大軸向力設計值為N外=15.98

穩定性計算結果:為了分析當門架搭設高度為30m和45m時門架整體的穩定性,分別建立了一個八跨十六步和一個十二跨二十四步的計算模型。采用特征值屈曲分析的方法來獲取所建模型的一階失穩特征值。依據第2節的計算結果,模型的加載情況如下:在八跨十六步模型的9根內桿(即靠近墻面的9根立桿)上分別施加10.72kN的荷載,在9根外桿上分別施加12.95kN的荷載;在十二跨二十四步模型的9根內桿上分別施加12.63kN的荷載,在9根外桿上分別施加15.98kN的荷載。

按照特征值屈曲分析的步驟,通過計算可以算出在上述加載條件下兩個模型的一階失穩特征值。模型的一階失穩模態圖如圖3和圖4所示。

從圖3和4可以看出,在所加荷載的作用下,門架均在平面內失穩,平面內最大位移都發生在第一層門架和第二層門架的連接處。一階失穩特征值分別為2.28和1.88,均大于1。因此,在實際工況下,模型不會發生失穩,即在A類地區實際工況下,門架搭設高度為30m和45m時,滿足穩定性要求。

這里需要說明的是:對于圖3和圖4所給出的結構失穩模態圖,并非是實際的失穩模態圖。因為每次計算特征值時,無論所加荷載是多少,采用這種屈曲分析的方法都要算到失穩時才能得出在所加荷載下對應的特征值,其對應的圖始終是失穩模態圖,只是在不同的荷載作用下其特征值會有所不同。所以,并不能說在所加的荷載下結構就發生失穩了,具體要看特征值是多少。如果得出的特征值小于或等于1,則結構發生屈曲破壞(喪失穩定性);如果得出的特征值大于1,則結構不會發生屈曲破壞。

3 結語

本文通過對所建三跨六步理論計算模型的穩定性分析,并與國家建筑工程質量監督檢驗中心所做的真型試驗進行對比,驗證了所建計算模型的合理性。據此將模型進行拓展,校核了當搭設高度為30m和45m時門架整體在實際工況下的穩定性,結果表明,運用ANSYS軟件校核腳手架整體穩定性是一種可行的方法。

[1] JGJ128-2000,建筑施工門式鋼管腳手架安全技術規范[S] .

[2] GB5009-2001,建筑結構荷載規范[S] .

[3] 李建方.拱構型門式鋼管腳手架結構安全分析[D] .長沙:中南大學,2007.

[4] 盛和太,喻海良,范訓益.ANSYS有限元原理與工程應用實例大全[M] .北京:清華大學出版社,2006.

[5] 張忠.關于搭設雙管落地腳手架的計算[J] .中國高新技術企業,2009(21):152-153.

[6] 張厚先,徐奮強,張德恒,等.用ANSYS分析扣件式鋼管腳手架整體穩定承載力[J] .建筑技術,2009(6):555-557.

[7] 易桂香,辛克貴,高秋利,等.雙排碗扣式鋼管腳手架穩定承載力分析[J] .工業建筑,2009(39):1130-1133.