附著式升降腳手架的受力分析與有限元分析

李秋生　白欣

摘 要：文章以附著式腳手架為研究對象，建立三維實體模型，對腳手架不同狀態下進行載荷分析，利用有限元分析軟件對重點受力部位進行模擬分析，驗證了計算過程的正確性和系統的安全性，為腳手架的優化設計提供了參考依據。

關鍵詞：附著式升降腳手架；受力分析；有限元分析

附著式升降腳手架由于在工作過程中具有裝卸方便、承受載荷較大、架體的剛度和強度高等優點，目前已成為建筑施工領域應用最多的一種腳手架。遺憾的是也許出于對專利技術的保護，在國內外權威出版機構和報刊上很少見到對腳手架設計的資料書籍，這就給工程人員的研究設計造成了不便。文章就當前工程現場所用腳手架結構進行受力分析的探討，整體結構如圖1所示。

1 腳手架結構組成

附著式升降腳手架系統的組成如圖2所示，主要有以下幾部分

（1）架體主結構：由導軌主框架、橫向水平桿、縱向水平桿、角鋼，承重底板、側面立桿等構成。架體主結構一般為一個整體剛性結構，現場施工時安裝完成后直接使用。

（2）升降系統：由上、下吊點，提升設備，連接部件（螺栓等）構成。

（3）防墜系統：每個附墻點處均設有獨立的擺針式防墜裝置，每個主框架至少有3個獨立附墻點，即有至少三套防墜裝置，采用防墜落理念。

（4）電氣控制系統：由總控箱、分控箱、遙控系統構成。

本升降腳手架的升降采用電動葫蘆升降，并配設專用電氣控制線路。該控制系統設有漏電保護、錯斷相保護、失載保護、正、反轉、單獨升降、整體升降和接地保護等裝置，且有指示燈指示。線路繞建筑物一周布設在架體內。

（5）架體防護：隨架體搭設同步完成的安全防護措施， 包括有底部密封板、翻板、立網、水平兜網、護身欄桿等構成。

架體安全裝置主要包括附著支承結構、防傾覆裝置、防墜落裝置、有效的安全防護措施。其中附著支承結構是直接與工程結構連接，承受并傳遞腳手架荷載的支承結構，包括導向座、承重立桿等結構，是附著升降腳手架的關鍵結構。

2 腳手架載荷計算

腳手架所受載荷主要分為永久性載荷與可變載荷，可變載荷與腳手架的使用狀態有關，架體在投入使用后主要分為正常使用狀態、升降狀態與墜落狀態三種狀態，下面就這幾種狀態對其所受載荷進行計算。

2.1 永久荷載的計算

永久荷載包括架體部分、工作過程中所用到的設備、裝置等的自重。按《建筑施工工具式腳手架安全技術規范》JGJ 202-2010 及其他國家標準規定。

經計算腳手架自重標準值為7.068kN。

2.2 可變載荷的計算

按照《附著式升降腳手架管理暫行規定》，使用狀態下，按每層受載為3.0kN/m2計算載荷；升降或墜落狀態下，按每層受載為0.5kN/m2計算載荷。

2.2.1 在使用狀態下施工活荷載的計算

腳手架的計算面積：0.6779×4=2.7m2

總施工活荷載為：3.0×2×2.71=13.26kN

2.2.2 在升降和墜落狀態下施工活荷載的計算

活荷載為：0.5×2×2.71=2.71kN

即在正常施工狀態下的活荷載為13.26kN，腳手架自重為 7.068kN

2.3 總荷載 S的計算

S=γ×（γG×GK+γQ×QK）

式中：γG-永久荷載分項系數，取為1.2；GK-腳手架自重；γQ-可變荷載分項系數，取為1.4；QK-可變荷載組合系數，取為0.85；γ-荷載變化系數，使用狀況下荷載變化系數取為γ1=1.3；升降工況下取γ2=2.0。

正常施工狀態下總荷載為：

F=1.3×（1.2×7.068+0.85×1.4×13.26）=35.2kN

正常升降狀況總荷載為

F=2.0×（1.2×7.068+0.85×1.4×2.71）=24.6kN

顯然，在正常工作狀態下總荷載更大。

3 重要部位受力分析與校核

根據上述推算可知，在正常工作狀態下總荷載更大。因此，分別就正常工作狀態或在正常工作過程中發生突然性的墜落情況下，對腳手架主要受力部位進行計算校核，若計算得到的結構強度滿足要求，則在正常升降過程中結構各部分的強度亦可滿足要求。

3.1 正常工作狀況

材料為Q235A，規格是？準48×3.5mm的腳手架鋼管截面力學特性如下：

（1）截面積Ao=4.89cm2；（2）慣性矩Io=12.19cm4；（3）抵抗矩Wo=5.08cm3；（4）慣性半徑i=1.58cm；（5）抗拉、抗彎、抗壓強度設計值[f1]=200N/mm2；（6）抗剪強度設計值[f2]=115N/mm2。

本腳手架結構共有六步，每步高度為1.75米，由其工作狀態可知，最下層的兩步所受力最大，此處對最下層的兩步進行受力分析。最下層承重桿及其固定螺栓的校核如下。承重桿與導軌桿之間相互擠壓，所受力為相互作用力，大小相等且方向相反，承重桿與固定螺栓間受力關系如圖3。擠壓載荷以求出為17841N，有效擠壓面積3.14×12×12=452mm2，擠壓應力P4為17841N/452mm2=39.5N/mm2<[f1]=200N/mm2，故承重桿也滿足強度條件承重桿處固定螺栓所受載荷為17841N/2=8920.5N，有效擠壓面積為7×16=112mm2，則螺栓與承重桿底桿的擠壓應力P5和P6相等，其方向位置示意如圖3，均為8920.5N/112mm2=79.6N/mm2<[f1]=200N/mm2，故螺栓可以滿足擠壓。同時固定螺栓還受到剪切力，有效剪切面積為3.14×16×16=804mm2，每處所受剪切力為17841N/2=8920.5N，則剪切應力為8920.5N/804mm2=11.1N/mm2<[f2]=115N/mm2。

3.2 墜落狀況

3.2.1 基本載荷的計算校核

由于工程實際中工作狀況復雜，可能出現活載荷突然增大、螺栓部位連接松動、連接件脫落、構件銹蝕強度降低以至于架體承重失效，出現墜落等情況，為保證施工人員和財產安全有必要對整個結構進行墜落狀況的校核分析，本腳手架的預定最大墜落高度為150mm，墜落時間由S=1/2at2，解得墜落時間t=0.17s，制動前瞬間架體的整體速度v為：v=g×t=9.8N/m2×0.17s=1.67m/s，墜落狀況下，防墜器與導軌橫梁之間相互擠壓，產生巨大的沖擊力，從而對結構的強度要求較大，通常是結構強度能否滿足工作要求的極端條件，防墜器在短時間進行制動，可認為制動時間為0.05s，由動量定理可得制動力Fz滿足F×△t=m×△v，帶入已知數值可求的制動力Fz=59840N。

3.2.2 導軌桿的校核

導向座連接墻體與腳手架架體，為主要承力部件，如圖4。當發生突然墜落情況時，防墜器與導軌桿相互擠壓產生巨大的抗力進行制動。

（1）導軌桿的剪切強度計算。導軌桿橫截面積為1/4×3.14×（38×38-31×31）=380mm2，59841N/2=29920.5N，則所受剪切力為29920.5N/380mm2=78.7N/mm2<[f2]=115N/mm2，滿足剪切效應下的強度條件。

（2）導軌桿的擠壓強度計算。防墜器與導軌桿相互擠壓，制動時間較短，制動力較大且為相互作用力，大小相等方向相反，制動載荷為59840N，有效擠壓面積78×4=312mm2，則擠壓應力為59840N/234mm2=189/mm2<[f1]=200N/mm2，故承重桿也滿足強度條件。

腳手架整體各部位在墜落情況下具有相同的運動狀態，及各個零部件的速度和加速度在任何時候均相等，故各部位所受的制動力相比正常工作狀況下的載荷擴大相同的比例，我們已經對承壓最大的部位進行了計算校核并滿足強度條件，則其余承壓較小的部位自然也滿足強度條件，不再重復計算。

4 ANSYS分析結果和結論

將三維模型導入ANSYS，材料屬性全部按照實際生產選用材料設定。另外，為了避免在分析過程中出現意外中斷，銷軸的外徑與鉸接孔徑相同，均為面接觸。

4.1 承重桿及其固定螺栓的校核驗算

從圖5的結果可以看出，承重桿及其固定螺栓所受到的應力均較小，最大應力均不超過58.566MP，而承重桿和固定螺栓材料的許用壓應力值為200N/mm2，需用剪切應力為115N/mm2，故可知承重桿及其固定螺栓均滿足強度條件，同時證明上述理論計算結論正確。

從圖6可以看出，承重桿在載荷作用下會有一些微變形，其中最接近導軌橫桿的頂桿部位形變較大，但仍然滿足工程的使用條件。

4.2 腳手架架體的受力校核計算

導軌處的豎桿所受載荷最大，故對其進行Ansys的分析校核。

圖7是附著式升降腳手架的豎桿在Ansys軟件中的應力圖，由圖可知豎桿由低端到頂端的應力呈現下降的趨勢，低端所受的最大應力整體不超過材料的許用拉、壓和抗彎應力200MP，及滿足擠壓和抗彎強度條件，與理論計算結論相符。圖8是附著式升降腳手架的豎桿在Ansys軟件中分析得到的整體變形圖，由圖8所示情況，可明顯看出，在豎桿的底端所受載荷大，因而變形最大但整體不影響腳手架的正常使用。

5 結束語

（1）通過計算得出附著式升降腳手架在正常升降工況時所受載荷最大。（2）通過對附著式升降腳手架重要受力部位進行受力分析得出均滿足強度條件。（3）利用有限元分析軟件對腳手架系統進行模擬分析，其結果與理論分析結果極為吻合，說明了計算過程和方法的正確性。經過分析，承重桿在最接近導軌橫桿的頂桿部位形變較大，豎桿由低端到頂端的應力呈現下降的趨勢，為今后附著式腳手架結構的改進提供了參考。

參考文獻

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作者簡介：李秋生（1959-），男，教授，河北工程大學機電學院院長，碩士生導師，承擔多次省級和市級科研項目，國家專利11項，發表論文50余篇。