基于ANSYS 的腳手架鋼管的屈曲分析

于兆清 王春光

(招金礦業(yè)股份有限公司夏甸金礦，山東夏甸 265414)

近幾年來(lái)，我國(guó)的建筑業(yè)蓬勃發(fā)展，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重大的貢獻(xiàn);同時(shí)，施工現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)事故也是屢見(jiàn)不鮮，其中有一類事故比較常見(jiàn)，這就是腳手架坍塌事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)［1］:2010年我國(guó)腳手架坍塌事故總共發(fā)生12起，造成了極大財(cái)產(chǎn)損失。腳手架坍塌的事故原因有很多種，其中主要原因?yàn)橹问Х€(wěn)。本文僅就局部彎曲導(dǎo)致的失穩(wěn)進(jìn)行分析。

腳手架工程常用的鋼管規(guī)格為φ48×3.5，其截面計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 φ48 ×3.5 鋼管截面計(jì)算參數(shù)［2，3］

1 計(jì)算桿件的選擇［2］

本次計(jì)算選擇工程常見(jiàn)的桿件:計(jì)算長(zhǎng)度為3.6 m，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為 f=205 N/mm2，長(zhǎng)細(xì)比 λ =l0/i=360/1.58=227.9，中心受壓折減系數(shù) φ=0.14，從而得:承載力［N］=φAf=0.14×489×205=14 034.3 N。

2 桿件ANSYS有限元計(jì)算模型

在模型中，使用Beam189單元模擬該桿件，兩端均為鉸支。桿件的ANSYS有限元模型如圖1，圖2所示。

圖1 有限元模型

圖2 桿件截面理論計(jì)算參數(shù)

3 特征值理論計(jì)算

關(guān)于桿件失穩(wěn)臨界力的計(jì)算已有相應(yīng)的經(jīng)典理論計(jì)算公式。

通過(guò)式(1)的計(jì)算得出特征值計(jì)算值為19.47 kN。

4 特征值屈曲計(jì)算

特征值屈曲計(jì)算主要針對(duì)沒(méi)有初始缺陷的構(gòu)件，得出在特定工況下桿件發(fā)生失穩(wěn)的理解值，以及與此值相應(yīng)的屈曲模態(tài)。通過(guò)對(duì)上述模型的計(jì)算得出該桿件的第一模態(tài)特征值為19.71 kN，即失穩(wěn)臨界力為19.71 kN。

通過(guò)特征值模擬值與計(jì)算值的比較，兩者相差不足1.5%，誤差很小，這說(shuō)明模型是合理的。

5 非線性屈曲分析

由于各種原因，施工現(xiàn)場(chǎng)腳手架工程使用的鋼管有的可能有初始彎曲，這勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致理論計(jì)算值與實(shí)際值不符，從而無(wú)法判斷實(shí)際受力狀態(tài)。下面就不同程度的初始缺陷進(jìn)行分析，得出不同程度初始缺陷所產(chǎn)生結(jié)果的規(guī)律性。

分別取特征值屈曲分析第一模態(tài)的 0.05，0.045，0.04，0.035，0.03，0.025，0.02，0.015，0.01，0.005，0.001 為桿件的初始缺陷進(jìn)行計(jì)算分析，得出如下結(jié)果，如圖3，圖4所示。

圖3 不同程度初始缺陷對(duì)極值點(diǎn)的影響

圖4 各缺陷對(duì)應(yīng)極值比特征值降低程度

通過(guò)圖3我們看到隨著初始缺陷程度的增大，極值點(diǎn)隨之下降;曲線與二項(xiàng)式y(tǒng)=2 450x2－291.57x+19.359擬合的很好。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可采用該二項(xiàng)式對(duì)實(shí)際受力情況進(jìn)行判別。

通過(guò)圖4我們發(fā)現(xiàn)隨著初始缺陷的增大，極值點(diǎn)下降程度急劇增加;曲線與二項(xiàng)式y(tǒng)=－12 583x2+1 497.5x+0.572 1擬合的很好。當(dāng)初始彎曲為1%時(shí)，降低程度達(dá)到15%，這個(gè)降低值是相當(dāng)可觀的。

通過(guò)桿件承載力與圖4的對(duì)比，可以得到:當(dāng)初始缺陷達(dá)到2%時(shí)，實(shí)際極限承載力與桿件計(jì)算極限承載力相差不過(guò)3%，相當(dāng)接近;當(dāng)初始缺陷達(dá)到2.5%時(shí)，實(shí)際極限承載力已經(jīng)比桿件計(jì)算極限承載力低，這是非常危險(xiǎn)的。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該桿件的穩(wěn)定性進(jìn)行有限元模擬，我們得到如下結(jié)論:

1)初始缺陷對(duì)于桿件的失穩(wěn)狀態(tài)影響很大;2)在施工時(shí)，應(yīng)盡量選取初始缺陷小的構(gòu)件作為壓桿;3)當(dāng)不可避免的需要使用初始缺陷較大的桿件時(shí)，計(jì)算桿件的失穩(wěn)臨界力應(yīng)注意折減;必要時(shí)，應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)分析。

［1］中國(guó)建設(shè)網(wǎng) http://news.cbi360.com/zt/jsj.

［2］余宗明.腳手架結(jié)構(gòu)計(jì)算及安全技術(shù)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［3］JGJ 130-2011，建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］尚曉江，邱 峰，趙海峰，等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用［M］.第2版.北京:中國(guó)水利水電出版社，2008.