新型承插式分體提升爬架受力特性分析

萬昆，張佳，曾潤忠，蔡景紅，李勝，嚴正中

（1.南昌市凱華建筑工程有限公司；2.華東交通大學，江西 南昌 330000）

1 前言

施工安全問題是土建工程中最重要的注意事項之一，其關注的重點主要是如何在保證安全的前提下，盡可能地發揮附屬結構的功能與提高工程進度。然而，土木工程臨時支擋護結構在使用過程中經常會受到復雜的外荷載作用，這些外荷載會降低結構的使用壽命，同時造成極大的安全隱患。

腳手架是建筑工程中不可缺少的設備工具，它不僅滿足了施工需要，還為確保施工項目質量和提高工作效率創造了條件，但是腳手架在工程建設中稍有不慎便會產生安全事故。2019年3月，江蘇省揚州市一工地外附著升降腳手架發生墜落事故，致6人死亡，5人受傷；2021年4月陜西蔡甸大街綜合整治項目某小區外腳手架拆除過程中發生坍塌，造成1人腿部刮傷，8輛車受損，為了減少此類安全事故的發生，大量專家學者對腳手架在使用過程中的受力及變形情況進行了研究。陸征然對偏心荷載作用下扣件式滿堂腳手架的承載性能進行了研究，考慮了扣件偏心連接以及水平桿將上部荷載偏心傳遞給立桿的影響，采用非線性有限元模型進行分析，發現偏心荷載作用下腳手架會沿著剛度較弱方向下出現整體大規模鼓曲現象。余成濤通過有限元軟件模擬不利荷載工況下的裝配式建筑外腳手架的穩定性，以三角支架的立桿及橫桿為研究對象，提出螺栓錨固在現澆位置上的掛架受力最為可靠。王秀麗研究了不同步運動時附著升降腳手架的結構響應，用數值軟件模擬分析架體結構附著支撐點的內力導軌關鍵節點處的轉角位移變化以及不同節點位置、不同構件尺寸與不同數量下鋼結構建筑和節點本身的受力變形特征。謝向陽運用半剛性節點多參數模擬法研究鋼管扣件式腳手架的穩定性，為確定腳手架立桿各節點約束的作用，運用單參數敏感性分析和特征值屈曲分析方法，對每項約束在架體穩定承載力上的貢獻進行測量，基于對其貢獻的相對效能進行對比，揭示出每項約束及對應水平桿、斜桿的作用機制。綜上所述，現有的研究中研究對象多為傳統的滿堂式或懸挑式腳手架，且研究的荷載工況較為單一，與實際施工中的受力情況符合較差。在國家大力發展新型裝配式建筑的大背景下，傳統腳手架已不適用于裝配式建筑結構的安全防護，且易造成現場架體材料堆積，場地混亂。

為解決上述問題，適應裝配式建筑發展的需要，本文提出一種新型的適用于裝配式建筑的外掛腳手架，利用有限元軟件ABAQUS建立新型裝配式腳手架的三維仿真模型，采用梁單元及殼單元對架體及面板結構進行模擬，開展了不同種類的組合荷載作用下的新型裝配式腳手架有限元試驗，探討該架體在使用過程中的安全性，重點研究了其在使用過程中的受力與變形情況，旨在為高層、超高層與裝配式建筑施工外防護架安全合理設計提供參考。

2 新型架體結構

以南昌市政公用集團旗下凱華建筑有限公司某村房改工程所用新型自爬升腳手架為背景，該腳手架分為上下兩部分，二者通過承插相連接，其中主體結構有主框架、走道板、翻板以及防護網四個部分。架體材料均為冷彎薄壁型方鋼焊接組成，外掛腳手架的防護網采用拼花式的鋼絲密目網，該腳手架具體結構如圖1所示。其中，上榀腳手架為兩個工作面與四根立桿組成，高8.0m，工作面尺寸為3.0m×0.7m，上工作面外防護網高1.5m，下工作面防護網高3.0m，選 用 方 鋼 尺 寸 有30mm×30mm×3mm、20mm×20mm×2mm、50mm×30mm×3mm；下榀腳手架為單一工作面，高3.0m，工作面尺寸為3.0m×0.7m，工作面防護網高2.2m，選用方 鋼 尺 寸 為60mm×40mm×2mm 、40mm×40mm×2.5mm、20mm×20mm×2mm，整個架體所選材料均為Q235型結構用鋼，其材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

圖1 架體標準單元結構示意圖

3 荷載取值

3.1 恒荷載標準值

腳手架恒載包括架體結構、維護設施以及用于固定腳手架結構的升降結構及其裝置自重，本文所選架體恒載為G=4300N。

3.2 活荷載

活荷載應包括施工人員、材料及施工機具等，架體在使用過程中主要分為兩個階段，第一階段主要由提升裝置控制架體升降達到施工作業層的升降階段；第二階段為滿足實際工程施工需要而進行的正常使用階段根據實際操作的情況和附著腳手架的技術規程將各工況下荷載，具體要求按《建筑施工工具式腳手架安全技術規范》（JGJ202-2010）為準，本文所取活荷載值如表2所示。

表2 活荷載取值

3.3 水平風荷載

根據《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）的規定：

式中，wk為風荷載標準值（kN/m2）；βz為風振系數，取1；μz為風壓高度變化系數，取值2.0（高度按80m，地面粗糙類別于安全取B類）；μs為腳手架風荷載體型系數，密目式安全立網的擋風系數按0.8計算；ω0為基本風壓值，應按現行國家標準《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）附表D4中n=50年的規定采用。按照南昌地區近50年風壓最大值選用，取0.45kN/m2計算。

因此，風荷載為：wk=1×2×0.8×0.45=0.72kN/m2。

3.4 隨機荷載

腳手架在使用過程中，除了會受到風荷載、人、材料與機器重量外，還易受到重物掉落或是意外水平推力的作用，這些水平推力與偶然荷載均取值1kN。

3.5 計算工況

按照附著升降式腳手架在使用過程中的受力情況，按照以下4種工況進行荷載計算，如表3所示，荷載分項系數如表4所示。

表3 腳手架計算工況

表4 荷載分項系數

4 腳手架架體單元及邊界條件

本文基于ABAQUS有限元軟件建立爬架模型，腳手架桿件采用梁單元（BEAM），單元類型為B31，該單元基于Timoshenko梁理論構建，可以考慮剪切變形的影響，使用時需要定義一個額外的橫向剪切剛度Transverse Shear Stiffness，不考慮剪切剛度影響時，往往指定剪切剛度為一個很大的數值即可；腳手架踏面采用殼單元（SHELL）建模，單元類型為S4R；桿件-桿件、桿件-踏面之間的連接用tie約束來模擬兩者間的焊接。

以腳手架桿件為重點研究對象，對桿件劃分進行加密，整個模型共有4744個節點、4584個單元，如圖2所示。腳手架內側桿件與承重連墻件的連接視為鉸接，約束三個方向的平動自由度，即UX、UY、UZ，腳手架與防墜連墻件的連接設置水平方向的約束，即UX、UZ。

圖2 有限元網格劃分

5 結果分析

5.1 腳手架桿件軸力

腳手架桿件應力云圖如圖3所示，架體桿件壓應力極值均在外排第二層下邊兩側的立桿處，但是，架體桿件拉應力極值出現位置并不固定，GK1工況下的拉應力極值位于架體外排桿件上，GK2～GK4工況下的拉應力極值位于架體內排桿件上，上述結果表明，在施工過程中風荷載及其他偶然荷載對桿件壓應力極值出現的位置影響較小，但是腳手架拉應力出現的位置受外荷載影響較大。

圖3 腳手架桿件軸力云圖

圖4 各工況下桿件軸力極值

如圖4所示，GK1～GK4工況下的桿件壓應力極值始終高于拉應力極值。隨著外荷載不斷地變化，架體桿件承受的壓應力逐漸增加，各工況下的壓應力極值分別為2.81kN、3.66kN、4.41kN、4.45kN，在GK4工況下達到了最大值。其中GK2工況相較GK1工況增加了水平外向風荷載，腳手架桿件所受軸向壓力提高了約30.25%，GK4工況相較GK1工況桿件壓應力增加了約58.36%，增加幅度最大。腳手架拉應力呈現先增加后減小的趨勢，在水平風荷載與水平推力的作用下，均不斷地提升，但是由于豎向偶然荷載出現的位置并不固定，其瞬間作用會引起桿件內拉應力的重新分布，造成拉應力極值的減小。上述結果表明，施工過程中風荷載引起的架體桿件軸力變化不容忽視，但也要警惕施工不規范引起的偶然荷載。

5.2 腳手架桿件水平與豎向位移

圖5 腳手架桿件的位移

如圖5和圖6所示，GK1～GK4工況下架體變形不斷增加，其中水平離墻最大位移處均為最上層工作面的防護欄桿上，分別為5.65mm、18.7mm、37.8mm、41.3mm，水平風荷載與水平推力的單獨作用或組合作用下會造成架體防護欄水平離墻位移增加約3～5倍。隨著外荷載的不斷增加，架體豎向位移呈單調遞增的趨勢，GK4工況相較GK1工況下的豎向位移增加了約17.76%，但是，其變形程度與水平變形相比較小。上述結果表明，水平向荷載的作用是引起腳手架上工作面防護欄桿位移與變形主要因素，因此，在施工過程中要盡量避免外荷載作用到外防護欄桿上。

圖6 各工況下桿件變形

6 結語

通過建立新型裝配式腳手架的有限元模型，分析該腳手架在不同工況下的受力及變形情況，研究結果表明：

（1）外荷載會引起腳手架桿件軸力產生較大變化，具體表現為所受壓應力增加約58.36%，架拉應力作用約97.6%。

（2）水平向荷載是造成架體離墻位移的主要因素，會造成架體水平位移增加3～5倍。

（3）架體豎向變形在各工況下的均較小，在GK4工況下增加了約17.76%。

（4）在工程作業過程中要規范施工，減少偶然荷載對架體的作用，新型裝配式腳手架在各組工況下變形均符合要求，結構穩定安全。