STAAD/CHINA 在搭架設計及強度校核中的應用

周世基，馮木水

(廣州中船文沖船塢有限公司,廣東 廣州 511462)

目前，主流船廠使用的腳手架主要有3種：扣件式鋼管架、盤扣式鋼管架、英標鋼管架。手工計算需要設計受力模型、查閱相關設計手冊等繁瑣的工作，不但效率低，結果也不直觀。通過應用STAAD/CHINA對搭架方案進行建模，可以快速計算，并按中國現行鋼結構規范進行檢查，輸出直觀、詳細的檢驗結果。

STAAD原本是美國的一款有限元結構分析與設計軟件，進入中國市場后，按中國現行的標準和規范開發了STAAD/CHINA，包括STAAD PRO 和SSDD軟件，廣泛應用于工業廠房、高層建筑、海洋工程等領域的建模和計算。該軟件的特點是建模簡單，既可以在STAAD PRO里直接建模，也可以通過AUTO CAD導入模型，比較適用于桁架式結構的設計和受力分析，最大優點在于SSDD可按GB 50017—2017《鋼結構設計規范》(以下簡稱《規范》)直接輸出檢驗結果，包括各桿件的設計參數、應力、撓度等，同時還用紅色表示危險桿件，綠色表示合格桿件。如果想簡單了解結果，可以快速瀏覽3D模型；如果想詳細檢查各桿件的受力情況，也可以輸出各桿件的參數報表，使用起來簡單、方便。

腳手架的計算包括如下內容：水平桿的抗彎強度、撓度、節點強度；立桿穩定承載力；地基承載力；連墻件強度、穩定承載力、連墻強度；纜風繩承載力及連接強度[1]。

根據船舶修造工作場所特點，本文將重點介紹水平桿的抗彎強度及立桿穩定載力的計算及檢驗。所選的實例為船廠常用3種搭架方式：雙排架、滿堂架、懸掛架。

1 雙排架

由內外2排立桿和水平桿構成的腳手架，簡稱雙排架[2]。雙排架一般適用于艙壁、舷傍板、上層建筑外墻等施工場所。本文采用集裝箱船“建仁”號在橫艙壁修理時的搭架實例，采用盤扣鋼管架，盤扣鋼管架的小單元見圖1。

圖1 盤扣鋼管架小單元

1.1 設計方案

根據盤扣鋼管架標準JGJ231—2010《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術規程》(以下簡稱《建筑規程》)的要求，所用構件的規格及材質見表1，腳手板采用鋼板網腳手板，每平方米質量按17.3 kg計算，每個斜梯的質量按32 kg計算。

表1 盤扣鋼管架規格及材質表 mm

鑒于這類腳手架的特點，它的主要參數如步距、縱距、橫距基本是固定的，唯有高度和寬度是根據實際需要而變化的，本文例舉的雙排架設計方案見表2，作業層在頂層，兩端設上下斜梯。

表2 雙排架設計方案

1.2 用STAAD/CHINA 建模及計算

一般有限元計算主要步驟為5個，因STAAD/CHINA可以對所設計的方案按《規范》進行檢驗，其主要步驟可分為以下6個。

1)結構建模。該設計方案的結構比較簡單，可在STAAD PRO里直接建模。先建一個小單元，然后復制小單元，完成結構模型。

2)材料屬性設置。一般來說，有限元建模中對于梁單元的材料屬性設置是比較繁瑣的，需要設置Y軸方向、β角及偏移值等。但腳手架的梁單元都是管子，截面特性簡單，只要將材料屬性設置為鋼材，不用考慮上述參數，直接輸入管子的直徑及壁厚就可以完成材料屬性的設置，簡單方便。

3)支座定義。底座和固定支承一般設置為剛固支座；連墻件采用剛性連墻件[3]，一般也設置為剛固支座。

4)荷載定義。作用于腳手架的荷載可分為永久荷載(恒荷)與可變荷載(活荷)。永久荷載包括鋼管、扣件、腳手板、擋腳板、安全網等防護設施的自重。可變荷載為施工荷載和風載2種[3]。永久荷載按實際情況輸入，可變荷載一般取2 kN/m2。這2種荷載一般按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態進行組合，基本組合要求見表3。

表3 荷載的基本組合要求

5)計算分析。上述步驟完成，需要在STAAD PRO上進行計算，其結果的輸出含所有桿件的彎矩、應力、撓度、節點受力等，利用這些結果，可對應不同的規范要求進行逐項分析。

6)規范檢驗。如果采用《規范》進行檢驗，先要將完成計算分析的STAAD PRO模型關閉，用SSDD軟件重新打開該模型，設置并運行其規范檢驗功能。SSDD軟件可自動按《規范》的要求輸出檢驗結果。

1.3 計算結果

SSDD軟件是按《規范》逐條進行檢驗。如果想快速瀏覽，可查看其輸出模型，如所有的桿件都是綠色，表示滿足要求；如果想詳細檢查其輸出參數，可以查閱輸出參數表，如果有不滿足《規范》的危險構件，表中會用紅色提醒，此時需要注意對應的構件及參數。通過SSDD快速瀏覽模型，本文的設計方案沒有危險構件，滿足《規范》要求。

同時，又將該設計方案對應《建筑規程》的規定檢驗項目進行檢驗，SSDD的計算結果是：水平桿的最大應力為118 MPa，小于 205 MPa；水平桿(小橫桿)的最大撓度為1.6 mm，小于6.6 mm；立桿的抗壓強度值為58 MPa，小于300 MPa。本設計方案也滿足《建筑規范》的要求。

2 滿堂架

在縱、橫方向，由不少于3排立桿與水平桿及其它相關構件構成的腳手架，簡稱滿堂架[3]。滿堂架一般適用于大艙、甲板反頂、塢內的艏艉工程等位置的施工作業，一般使用JGJ130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》(以下簡稱《建筑規范》)要求的扣件式腳手架或英標腳手架。圖2是滿堂架3D模型，曾用于工程船“津平一號”拋石管的修理。

圖2 滿堂架3D模型

2.1 設計方案

根據《建筑規范》的要求，腳手架鋼管的材質為Q235，其截面幾何特性見表4。

表4 扣件式鋼管截面幾何特性

滿堂架搭架方案見表5，作業層設在頂層，需在鋪設腳手板的方向上增加一小橫桿。

表5 滿堂架搭設方案 m

2.2 計算結果

建模過程同上，將STAAD PRO的建模計算結果用SSDD軟件按《規范》進行檢驗，瀏覽其輸出模型，所有的桿件都是綠色；再檢查輸出參數表，沒有紅色提醒需要注意的構件及參數，所以，設計方案滿足《規范》。

對應《建筑規范》的檢驗項目，SSDD的計算結果是：水平桿的最大應力為96 MPa，小于205 MPa；水平桿(小橫桿)的最大撓度為1.2 mm，小于8.6 mm；立桿的抗壓強度值為26 MPa，小205 MPa。結果也滿足《建筑規范》的要求。

3 懸掛架

在船舶修造廠，懸掛架也一種比較常見的搭架方式，適用于油船甲板和散貨船艙間甲板反頂，圖3是某大型油船甲板底的懸掛架3D單元模型，本設計是通過鋼絲繩將鋼管架懸掛于艙里，一般使用《建筑規范》的扣件式腳手架或英標腳手架。

圖3 懸掛架3D單元模型

3.1 設計方案

搭架方案見表6，鋪滿腳手板，鋼管采用《建筑規范》要求的建筑施工扣件式鋼管或英標鋼管，鋼絲繩采用安全負荷為1 t的鋼絲繩。

表6 懸掛架搭設方案 mm

3.2 建模計算及結果

對應《建筑規范》的檢驗項目，SSDD的計算結果是：水平桿的最大應力為208 MPa ，大于205 MPa；水平桿(小橫桿)的最大撓度為1.7 mm，小于10.0 mm。水平桿的最大應力雖然不符合《建筑規范》規范的要求，但如果按《規范》的要求，抗拉(壓)強度取值是215 MPa[4]，該方案滿足《規范》要求。 瀏覽SSDD輸出模型，所有的桿件都是綠色；再檢查輸出參數表，沒有紅色提醒需要注意的桿件及參數，所以，該設計方案滿足《規范》要求。