不同半剛性鋼管腳手架的節點性能研究

葉 斌

(廣西路橋工程集團有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

鋼管腳手架是在建筑和橋梁工程施工過程中,為施工過程順利而搭建的臨時工作平臺或作業通道。其在具有較大承載能力的同時,還有裝拆方便、安裝效率高的優點,因此具有良好的社會經濟效益,被廣泛應用于各類橋梁、建筑等結構的施工當中[1-3]。同時,為了滿足不同工程適應性、經濟型及安全性等方面的需要,鋼管腳手架亦發展出了多種不同的結構形式,其中包括由于桿件本身為薄壁桿件的緣故,而導致橫桿、立桿間節點出現半剛性力學性質的半剛性鋼管腳手架,這類支架又以盤扣式腳手架與插銷式腳手架(ADG腳手架)兩類較具代表性[4-5]。

所謂半剛性節點,即腳手架的連接節點處并不是鉸接亦不是完全剛接,而是介于鉸接與剛接之間的半剛性連接,因而其在受力時,桿件在承受彎矩的同時,又會在節點處發生相對轉動[6]。許多學者對半剛性節點這一特殊力學特性對腳手架性能的影響開展了研究。其中鄒阿鳴等[7]通過在SAP2000中采用三折線模型模擬了碗扣式腳手架節點的材料非線性以及幾何非線性,建立了碗扣式腳手架的精細化數值模型,并由此對影響碗扣式腳手架受力性能的因素進行了研究。向洋等[8]通過有限元模擬與試驗對照的方法,驗證了Clough二折線半剛性節點模型在插銷式腳手架節點精細化模擬中的準確性。吳福寶等[9]指出半剛性節點將對腳手架的自振周期產生不可忽略的影響,其中低階模態所受影響最大。陳少強[10]采用線性剛度模型研究了插銷楔緊度對十字形腳手架半剛性節點的影響,最終得到支架承載力隨插銷楔入深度的變化規律。

上述研究探討了半剛性節點對鋼管腳手架的特殊影響,極大地促進了半剛性腳手架的合理設計與安全使用。但同時也發現,當前研究對于不同半剛性鋼管腳手架的節點性能討論并不充分,對不同半剛性鋼管腳手架間節點性能存在的差異亦未能有詳細研究。為此本文針對上述兩類具有代表性的半剛性鋼管腳手架,即盤扣式腳手架與插銷式腳手架進行建模分析,通過ABAQUS軟件分別建立盤扣式腳手架節點模型及插銷式腳手架節點模型,對上述兩類腳手架的節點性能進行模擬分析,并進行對比研究,所得結果將為半剛性腳手架設計選用提供參考。

1 結構模型的建立

盤扣式腳手架起源于德國,后被引入我國,是目前國內實際工程中使用較為廣泛的一類腳手架。其主要由立桿、橫桿、圓盤、插銷以及斜桿等部件組成,橫桿和斜桿與立桿通過其上的圓盤插接連接,并通過插銷楔緊,形成幾何不變體系。ADG腳手架又稱插銷式腳手架,是一種自鎖式模塊腳手架,同樣是由立桿、橫桿、斜杠等構件組成,與其他類型腳手架的主要區別是橫桿與立桿的連接方式不同,其橫桿與立桿上分別焊接有U型卡和C型卡,通過插銷將U形卡件與C形卡楔緊固定,從而形成三角形穩定架體。本文通過ABAQUS軟件對上述兩類半剛性腳手架節點進行建模分析。

為便于比較,盤扣式腳手架及插銷式腳手架立桿與橫桿均采用48系桿件進行研究,同時其節點構件尺寸及材質均采用實際工程中規范尺寸進行模擬,其具體參數如表1所示。

表1 盤扣式腳手架及插銷式腳手架詳細特性及材料參數表

根據上述尺寸在ABAQUS軟件中創建三維實體單元并進行模型裝配。為研究腳手架節點性能,上述兩類腳手架立桿長度均取440 mm,橫桿端部距立桿中心距離取220 mm,橫桿與立桿間的連接為半剛性連接,其本構關系采用二折線模型進行模擬。立桿兩端均設為剛接,橫桿端部為自由端,依據測試項目不同,在橫桿端部上作用不同荷載。盤扣式腳手架及插銷式腳手架的節點模型如圖1及圖2所示。

圖1 盤扣式腳手架節點模型圖

圖2 插銷式腳手架節點模型圖

2 半剛性腳手架節點性能分析

2.1 節點抗拉性能

通過在節點模型左右橫桿端部分別施加大小相等、方向相反的拉力,以檢驗節點的抗拉性能,加載示意圖如圖3所示。采用逐級加載的方式,將0～40 kN的荷載按照每級4 kN的形式逐步施加,最終得到如圖4所示的荷載位移變化曲線。由圖4(a)盤扣式腳手架的荷載位移變化曲線可知,在雙向拉力作用下,腳手架的荷載位移曲線呈現明顯的非線性變化特性,這對應于節點剛度的非線性軟化特征,即隨著荷載的增大,節點結構處的剛度開始逐漸降低。其具體表現為:在加載的初始階段,即當拉力<20 kN時,節點剛度幾乎不變,荷載與位移呈線性關系;而后隨著荷載的進一步增大,即當拉力>20 kN時,節點剛度開始出現明顯的降低,此時結構進入彈塑性變形階段,在這一階段中,拉力的小幅度增加將導致結構位移的大幅增大,這將對結構的安全性能產生不利影響,當荷載繼續增大時,將可能導致結構發生延性破壞。同時由于存在塑性變形的緣故,結構在卸載后,將存在不可恢復的殘余變形,造成構件的永久性損害,因而在結構設計使用中需予以重視。

圖3 節點抗拉分析加載示意圖

隨后同樣對插銷式腳手架的節點抗拉性能進行分析,由圖4(b)可知,插銷式腳手架的節點受拉變化特性與盤扣式腳手架的變化特性相似,其曲線同樣是在初期保持著剛度線性,而后隨著荷載的增大開始呈現非線性特征。兩者有所不同的是,插銷式腳手架開始發生塑性屈服點的位置要略高于盤扣式腳手架,這一差異的原因主要歸功于兩類腳手架節點結構形式的不同。當腳手架節點受拉時,盤扣式腳手架主要依靠盤扣-插銷-鎖頭接觸傳遞應力,插銷式腳手架則是通過立柱的U型卡-插銷-橫桿的C型卡接觸傳遞應力,這一結構形式不同,使其節點構件的變形程度不同,導致受拉性能存在差異。

2.2 節點抗彎性能

半剛性鋼管腳手架的節點抗彎性能是區分其與其他腳手架的主要特征。半剛性是介于鉸接與剛接之間的連接形式,其在承受彎矩荷載時,在節點處并不能保持原有夾角,而是在節點處發生相對轉動,這一半剛性連接特性,通常采用彎矩-轉角的變化關系來表示。

以下通過在結構節點模型左右橫桿端部施加豎直向下的集中力,以檢驗半剛性鋼管腳手架節點的彎曲性能,加載示意圖如下頁圖5所示。有限元模擬采用逐級加載的方式,將0～5 kN的荷載按照每級0.5 kN的形式逐步施加,最終提取得到如下頁圖6所示的彎矩-轉角變化曲線。

圖5 節點抗彎分析加載示意圖

(a)盤扣式腳手架

由圖6(a)盤扣式腳手架節點彎矩與轉角關系可以看出,隨著節點所承受彎矩的逐漸增大,節點處產生了由彈性變形逐漸過渡到彈塑性變形的過程,節點的抗彎剛度存在顯著的非線性特征。當節點彎矩<0.77 kN·m時,節點彎矩與轉角的變化關系接近線性變化,此時節點處于彈性彎曲變形階段,節點抗彎剛度維持不變。而當節點所承受彎矩>0.77 kN·m時,節點彎矩與節點轉角的關系曲線開始出現非線性,節點的抗彎剛度隨著節點彎矩的增大而逐漸降低,導致節點轉角迅速增大。節點彎矩產生非線性的原因是,由于在節點彎矩的作用下,橫桿會將彎矩傳遞到鎖頭,而后鎖頭再傳遞給插銷及圓盤,最終圓盤將彎矩傳遞到立桿處,完成荷載的傳遞過程,而在這一傳遞過程中,由于各個構件發生塑性變形和相對移動,最終導致節點的抗彎剛度出現了非線性特征。

隨后對圖6(b)插銷式腳手架節點抗彎進行分析可知,節點轉角與彎矩的變化同樣是由線性變形發展到彈塑性變形的過程。通過與圖4比較可知,兩類半剛性腳手架的主要區別是,彈性與彈塑性變形分界點對應的節點彎矩不同,盤扣式腳手架節點開始發生彈塑性變形的臨界節點彎矩要大于插銷式腳手架。

2.3 結果分析

通過分析上述節點受拉及受彎性能可知,這兩類半剛性腳手架在拉力和彎矩作用下,均出現了明顯的非線性現象,荷載與變形首先維持線性狀態,達到臨界屈服點后,節點剛度開始軟化,荷載與節點變形轉變為非線性關系,此階段中隨著荷載的小幅度增加,將導致結構變形的迅速增大。此外發現,盤扣式腳手架在受拉力作用時,其屈服荷載高于插銷式腳手架,而在受彎矩作用時,其屈服荷載低于插銷式腳手架。

3 結語

本文通過ABAQUS軟件分別建立了盤扣式腳手架節點模型及插銷式腳手架節點模型,隨后對兩類半剛性腳手架節點的抗拉以及抗彎性能進行了模擬分析,得到如下結論:

(1)兩類半剛性腳手架在拉力和彎矩作用下,其荷載曲線均出現了由線性變化關系轉變為非線性變化關系的現象,節點剛度隨著荷載的增加而發生軟化。

(2)經進一步對比節點屈服荷載發現,在節點抗拉承載能力方面插銷式腳手架要略優于盤扣式腳手架,而在節點抗彎承載能力方面盤扣式腳手架則要優于插銷式腳手架。

理清半剛性腳手架的節點特性以及不同腳手架的受力性能,將有助于幫助工程現場進行臨時腳手架設備的選取,為施工現場安全提供保障。