不同工況下基于MIDAS/FEA模型的腳手架可調托撐托板計算分析*

程 驥，龔晉徳，陳亞麗

(中建新疆建工(集團)有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

現行技術標準對腳手架可調托撐托板設計尺寸的規定不統一，導致建筑企業在應用過程中難以把握，易在設計和施工中出現問題，進而引起較大工程事故。

在JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》中第3.4.3條規定，可調托撐受壓承載力的設計值不應低于40kN，支托板板厚不應小于5mm[1]；而在DB 37/5008—2014《建筑施工直插盤銷式模板支架安全技術規范》中第3.2.9條則認為，可調托撐托板宜采用Q235B鋼板制作，厚度不應小于5mm，另外可調托撐托板應設置開口擋板，擋板高度不應小于40mm，同時可調托撐受壓承載力的設計值也不應小于40kN[2]；而在YB/T 9251—94《組合鋼模板質量檢驗評定標準》中第7.3.1條規定，底板與頂板厚度應為6mm，允許偏差范圍在[-0.60mm，0.40mm][3]； 在CFSA/T 02∶2014《臺式模板早拆體系施工技術規程》中第4.0.5條規定，支撐頂板的平面尺寸不應小于100mm×100mm，厚度不應小于8mm[4]；與此同時，在GB/T 700—2006《碳素結構鋼》中對Q235B級鋼的規定是，支撐頭尺寸宜選取150mm ×150mm，板材厚度不得小于6mm，支撐頭受壓承載力設計值不應低于40kN[5-6]；同時，也有學者進行了相關研究，如牛學超等[7]通過試驗研究得到可調托撐長度，U托螺桿伸出長度取 300mm 較為安全。

從以上規范和相關學者的研究可看出[8-9]，現有技術標準對腳手架可調托撐托板設計尺寸的規定并不統一。針對技術標準的不一致和現場技術人員對應用標準的把握不一致問題，本文依托住房和城鄉建設部科學技術項目“裝配式建筑體系集成化創新應用研究與示范”進行課題研究，選取3種工況利用MIDAS/FEA建立實體有限元模型。計算模型按實際材料類型采用實體單位模擬結構，對不同工況進行計算分析，分析托板的位移、應變、應力情況，給出分析結果和合理建議，對于指導現場施工具有較大意義。

1 方案設計

1.1 標準模型

根據文獻[1]，可調托撐的受壓極限承載力不應低于50kN。與此同時，可調托撐支托板側翼高度不宜低于30mm，側翼外皮距離不宜小于110mm，且不宜大于150mm。支托板長要求不宜小于90mm，支托板厚不應低于5mm，如圖1所示。

圖1 可調托撐托板構造

1.2 計算模型

與二維平面標準模型相同，在三維實體計算模型中可調托撐受壓極限承載力仍應≥50kN，可調托撐支托板側翼高度宜≥30mm，側翼外皮距離宜≥110mm，且宜≤150mm，支托板長宜≥90mm，支托板厚應≥5mm。三維實體模型如圖2所示。

圖2 可調托撐托板三維實體模型

1.3 計算方案

針對不同工況下腳手架可調托撐支托板側翼外皮距離a、支托板長b、支托板厚t，在不同的極限承載力作用下進行有限元計算，得到不同工況下的位移、應力及范梅塞斯應力等值線云圖，計算方案如表1所示。

表1 計算方案

2 模擬分析

2.1 工況1條件下位移、應變及應力分析

當a=110mm，b=90mm，t=5mm時，受壓極限承載力≥50kN，得到相應的位移、應變和范梅塞斯應力等值線云圖，如圖3所示。

圖3 工況1 a=110mm時計算結果

分析圖3可知，當前條件下托板位置最大位移發生于托板側翼，最大變形值為0.5mm，其余處變形均較??；而應變處在彈性應變范圍內；范梅塞斯應力等值線云圖的最大應力為285MPa，4.2%的單元應>215MPa，超過規范允許的鋼材強度設計值(215MPa)，其中超過部分均處在可調托撐的螺桿與支架托板焊接處，該處存在應力集中情況。

當a=150mm，b=90mm，t=5mm時，受壓極限承載力≥50kN，分析相應的位移、應變和范梅塞斯應力等值線云圖可知，托板位置最大位移發生于托板側翼，最大變形值為1.05mm，其余處變形均較?。粦兲幵趶椥詰兎秶鷥?；最大應力為453MPa，發生于可調托撐的螺桿與支架托板焊接處，且在托板中部位置處(大面積單元應力在202～85MPa)，超過規范允許的鋼材強度設計值(215MPa)，結構不滿足要求，故應重新考慮取值。

2.2 工況2條件下位移、應變及應力分析

當a=110mm，b=90mm，t=6mm時，受壓極限承載力≥50kN，由得到的位移、應變和范梅塞斯應力等值線云圖可知，當前條件下托板位置最大位移發生于托板側翼，最大變形值為0.408mm，其余處變形均較小；應變處在彈性應變范圍內；范梅塞斯應力等值線云圖的最大應力為215MPa，均處在規范允許的鋼材強度設計值215MPa范圍內，此時最大應力出現在可調托撐的螺桿與支架托板焊接處。

當a=150mm，b=90mm，t=6mm時，受壓極限承載力≥50kN，由計算可知，此時托板位置最大位移發生于托板側翼，最大變形值為0.73mm，其余處變形均較??；應變處在彈性應變范圍內；范梅塞斯應力等值線云圖的最大應力為339MPa，處在可調托撐的螺桿與支架托板焊接處，超過規范允許的鋼材強度設計值(215MPa)的單元占比為11.3%，且超出部分處在托板中部位置居多，結構不能滿足要求，所以應重新考慮取值。

2.3 工況3條件下位移、應變及應力分析

由a=110mm計算結果可知，當前條件下托板位置最大位移發生于托板側翼，最大變形值為0.33mm，其余處變形均較??；應變處在彈性應變范圍內；范梅塞斯應力等值線云圖，最大應力為174.8MPa，均處在規范允許的鋼材強度設計值(215MPa)范圍內，最大應力出現在可調托撐的螺桿與支架托板焊接處。

由a=150mm計算結果可知，托板位置最大位移發生于托板側翼，最大變形值為0.62mm，其余處變形均較小；應變處在彈性應變范圍內；范梅塞斯應力等值線云圖最大應力為247MPa，超過規范允許的鋼材強度設計值(215MPa)的單元占比為1%，均處于可調托撐的螺桿與支架托板焊接處，并且超出部分所占比例非常小，可判定為滿足計算要求。

通過對工況1～3條件下的腳手架可調托撐托板分別進行MIDAS/FEA有限元建模分析可知，僅工況3滿足要求。

3 結語

通過對不同工況下腳手架可調托撐托板進行建模分析，得到對應工況下托撐托板的位移、應變、應力變化情況，綜合計算部分和參考規范部分的相關結果，建議腳手架可調托撐設計應滿足如下要求。

1)腳手架的可調托撐受壓承載力設計值應≥40kN。

2)可調托撐支托板側翼高度的設計值宜≥30mm，側翼外皮距離的設計值宜≥110mm，且宜≤150mm。

3)可調托撐支托板的板長宜≥90mm，支托板的板厚應≥6mm。