拉桿式懸挑腳手架整體穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀分析

劉建敏 尹新生

（吉林建筑大學，吉林 長春 130000）

0 引言

在對拉桿式懸挑腳手架穩(wěn)定性的研究中，除了構(gòu)件局部失穩(wěn)和構(gòu)件整體失穩(wěn)外，結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)也需引起重視。現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》[1-5]中已有規(guī)定限制前兩種形式失穩(wěn)的發(fā)生，對鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定未給出具體的規(guī)定，但是現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)體系與形式越來越復雜、結(jié)構(gòu)體量越來越大，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定問題越來越突出，只規(guī)定前兩種穩(wěn)定問題是不夠的[6-7]。結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性概念是描述結(jié)構(gòu)在承載過程中整個結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性態(tài)，而非結(jié)構(gòu)中個別或某些構(gòu)件或節(jié)點的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)中個別或某些構(gòu)件或節(jié)點的失穩(wěn)，若不引起結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)變形，則屬于結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)，否則，屬于結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。局部失穩(wěn)不一定會引起整體失穩(wěn)，但整體失穩(wěn)一定包括局部失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定分析與單根構(gòu)件的穩(wěn)定分析不同，需要找到正確合理的方法推導出整體穩(wěn)定臨界荷載系數(shù)。本文就拉桿式懸挑腳手架整體穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀進行分析。

1 懸挑外架的結(jié)構(gòu)形式

國內(nèi)外懸挑外架的發(fā)展大致可以分為扣件式鋼管外架、型鋼懸挑梁式外架和拉桿式工字鋼懸挑外架三個階段。腳手架搭設圖現(xiàn)場圖如圖1所示。

圖1 各腳手架搭設圖

1.1 扣件式鋼管外架

扣件式鋼管腳手架通常是首先將鋼管預埋在樓板上，水平桿通過直角扣件來與立桿進行連接，在下方設置斜支撐。具體構(gòu)造如圖1（a）所示。但是一旦加強措施和構(gòu)造措施不到位，整個腳手架的架體就較易出現(xiàn)整體失穩(wěn)的現(xiàn)象。這種懸挑外架的穩(wěn)定性也較差，節(jié)點的構(gòu)造導致了腳手架立桿會發(fā)生偏心受壓，從而使得立桿受到因偏壓而產(chǎn)生的附加彎矩影響，整體承載能力大幅度減小。

1.2 型鋼懸挑梁式外架

型鋼懸挑梁式外架通常采用工字鋼或槽鋼，型鋼錨固段伸入主體內(nèi)，其長度為懸挑段的1.25倍，錨固段通過預埋在主體內(nèi)的U 型鋼筋拉環(huán)或螺栓錨固，具體構(gòu)造如圖1（b）所示。每個型鋼懸挑梁外端宜設置鋼絲繩或鋼拉桿。由于鋼絲繩偏心受力、固接端易斷絲、受力不均衡、伸長率大且鋼絲繩是柔性材料還有施工順序的問題，因此鋼絲繩、鋼拉桿不參與懸挑梁受力計算。雖然型鋼懸挑梁式外腳手架相比于扣件式鋼管外架取消了扣件的使用，提升了安全性能和穩(wěn)定性，但是存在價格高、有破壞剪力墻的隱患且不利于施工工序穿插的缺點[8]。

1.3 拉桿式工字鋼懸挑外架

業(yè)內(nèi)出現(xiàn)的一種新型拉桿式工字鋼懸挑腳手架，這種懸挑梁的工字鋼梁一端與建筑物主體結(jié)構(gòu)通過高強螺栓連接，另一端通過圓鋼拉桿與上層結(jié)構(gòu)通過高強螺栓相連，其中圓鋼拉桿中段通過可調(diào)節(jié)螺紋套筒連接，用于調(diào)節(jié)拉桿的張緊程度，圓鋼拉桿與工字鋼通過吊耳連接，如圖1（c）所示。這種結(jié)構(gòu)工字鋼無須破壞主體結(jié)構(gòu)，并且在減少材料投入的同時，有效提升了施工過程的便捷性，進而實現(xiàn)施工流程的優(yōu)化和施工效率的提高。

2 拉桿式懸挑腳手架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題

對于拉桿式懸挑腳手架，連墻件承擔了水平力，因此不考慮風荷載的影響。拉桿式懸挑型鋼腳手架的下部工字鋼所受到荷載主要由兩部分組成：腳手板上的人所帶來的活荷載（即均布荷載）和各個構(gòu)件的自重，最終轉(zhuǎn)化成通過豎桿所作用的集中荷載。

對于整個拉桿式懸挑外架來說，結(jié)構(gòu)的最大特點就是非連續(xù)性，各構(gòu)件之間都要采用特殊的連接方式，如圖2所示。混凝土、螺栓、鋼板及斜拉桿之間均有相互作用。因此，拉桿式懸挑外架的力學性能和失效模式非常復雜。荷載增大到一數(shù)值后，工字鋼梁向下彎曲，會突然發(fā)生彎曲而破壞，梁產(chǎn)生整體的失穩(wěn)。對于失穩(wěn)問題，拉桿式懸挑腳手架整體結(jié)構(gòu)在外力的作用下會喪失原來的平衡狀態(tài)，當這種微小的擾動消失之后，結(jié)構(gòu)并不能恢復到原來的狀態(tài)。

圖2 拉桿式懸挑外架構(gòu)造

3 拉桿式懸挑腳手架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀

目前，對于拉桿式懸挑腳手架結(jié)構(gòu)的研究主要集中在設計和應用分析，分析的主要方法是通過其構(gòu)造組成、受力機理、施工工藝及受力計算等方面進行工程實踐和理論計算。對結(jié)構(gòu)進行幾何非線性分析以及對受力性能研究得相對較少。

3.1 理論分析

目前，拉桿式懸挑梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究成果還十分有限，還沒有完整的理論分析體系。我國現(xiàn)行的《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB 50017-2003）[6]對懸臂梁的整體穩(wěn)定計算，只給出了雙軸對稱工字形等截面（含H型鋼）懸臂梁的整體穩(wěn)定系數(shù)ψb的計算方法；而關(guān)于復雜鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定驗算及其極限承載力評定，還不能像《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB 50017-2003）驗算鋼壓桿穩(wěn)定性那樣具有規(guī)范規(guī)定的、且有明確意義的解析公式或驗算公式。根據(jù)現(xiàn)階段的理論研究水平，還難以甚至無法從理論上針對每一種鋼結(jié)構(gòu)體系提出相應的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定因子計算公式，也就無法從理論上獲得其極限承載力的計算公式。因此，現(xiàn)代復雜鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性臨界荷載及其極限承載能力，只能通過對結(jié)構(gòu)進行非線性分析的方法得到一系列數(shù)值分析結(jié)果，進而根據(jù)相應結(jié)構(gòu)設計規(guī)范或參照類似標準進行判定或評定。關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體穩(wěn)定性驗算，目前在我國僅有現(xiàn)行《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 7-2010）[8]給出了具體規(guī)定，其他結(jié)構(gòu)設計規(guī)范或沒有涉及或僅給出驗算要求而沒有具體方法、公式和評定標準，如《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB 50017-2003）僅在8.6.5條中提出計算要求，但沒有具體的驗算方法和評定標準。陳毅[9]比較了7個國家的7本鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范中，受彎構(gòu)件穩(wěn)定性設計的計算公式，介紹了許多學者關(guān)于這一問題的理論分析和試驗研究成果，提出了受彎構(gòu)件等效彎矩系數(shù)βb的表達式。

對于鋼梁的穩(wěn)定問題，目前主要通過平衡法、能量法和動力法進行計算。平衡法是根據(jù)鋼梁發(fā)生微小變形后的受力條件，建立平衡方程進行求解，目前一般多被用于巖土方面的研究，而且采用平衡法只能求解整體穩(wěn)定臨界荷載，不能評價鋼梁平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定。能量法是根據(jù)結(jié)構(gòu)變形后的受力條件列出總勢能表達式。當鋼梁處于平衡狀態(tài)時，其總勢能存在駐值，由數(shù)學原理可知，總勢能表達式對位移的一階變分等于零，這就是該鋼梁的平衡方程，進一步求解平衡方程得出該鋼梁的整體穩(wěn)定臨界荷載。能量法還可以用來評價平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性。劉小培[10]對雙軸對稱工字形簡支鋼梁受壓翼緣有兩道側(cè)向支承時的整體穩(wěn)定性能進行了系統(tǒng)研究，根據(jù)能量法原理，把中梁段單獨取出來，由彎矩圖出發(fā)推導了4種不同荷載類型作用下鋼梁整體穩(wěn)定臨界彎矩。郭鎖記[11]針對連續(xù)變截面橋墩，應用能量法推導了失穩(wěn)特征值的通用計算公式。魚明波[12]應用能量法推導出隅撐-檁條支撐體系作用的雙軸對稱工字形等截面梁的彈性彎扭屈曲臨界荷載計算表達式。動力法可以闡述為以動力學的觀點來研究壓桿穩(wěn)定問題，利用系統(tǒng)受到微擾動后其位移和速度不超過預先規(guī)定的界限的條件確定臨界荷載，振動法所解決的問題是求解荷載時彈性系統(tǒng)的自由振動開始發(fā)散。

3.2 數(shù)值分析方法

對于拉桿式懸挑外架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題，目前采用有限元研究的相對較少。張磊、童根樹等采用通用有限元軟件,分別利用殼體單元模型和薄壁梁單元模型,分析了雙軸對稱截面梁、單軸對稱截面梁、軸心受壓構(gòu)件、壓彎構(gòu)件和變截面梁的穩(wěn)定性，通過與經(jīng)典解或已有研究結(jié)果的比較，對有限元模型的可靠性以及存在的問題進行了討論。研究表明：提出的殼體單元模型不僅可以用于分析薄壁構(gòu)件的整體穩(wěn)定性，也可以作為檢驗薄壁構(gòu)件整體穩(wěn)定理論正確性的重要依據(jù)。目前，有關(guān)拉桿式懸挑腳手架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究的數(shù)值分析接近于無。Abaqus軟件在駕馭非常龐大而且復雜的問題以及非線性問題方面，它比其他軟件更有優(yōu)勢，被普遍認為是功能十分強大的有限元軟件之一。Abaqus軟件在進行屈曲分析時，將會計算結(jié)構(gòu)在屈曲工況下工件所受的軸力；根據(jù)虛功原理構(gòu)造幾何剛度矩陣，求解特征值（屈曲因子）與特征向量（屈曲模態(tài)）。在這里對構(gòu)件的分析使用的是傳統(tǒng)的特征值屈曲，考慮前屈曲對非線性的影響，預測真實的屈曲載荷和模態(tài)。Abaqus對屈曲問題的分析解決方案主要有5種：線性屈曲分析（*buckle）；非線性屈曲分析(*static,riks）；通用靜力分析（*static,*static,stabilize）；隱式動力分析（*Dynamic）；顯示動力分析（*Dynamic）。

4 拉桿式懸挑腳手架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究的方向和方法

盡管目前對拉桿式懸挑腳手架結(jié)構(gòu)的應用較為廣泛，但是針對拉桿式懸挑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性而言，仍有許多值得研究的方向和方法。

（1）前文提到，拉桿式懸挑腳手架結(jié)構(gòu)構(gòu)件復雜，失效模式也隨之變得復雜。當前對于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究，常會因結(jié)構(gòu)某一構(gòu)件出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，就判定為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，將該構(gòu)件的失效模式作為結(jié)構(gòu)的失效模式。但是不同構(gòu)件的失效給結(jié)構(gòu)整體帶來的損失程度是不同的，前面的假定是不嚴謹?shù)摹Ｒ虼耍瑢瓧U式懸挑腳手架結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的失效模式進行歸類，研究結(jié)構(gòu)構(gòu)件失效后結(jié)構(gòu)失效模式的變化，以及構(gòu)件失效對結(jié)構(gòu)整體的影響，可以更加精準地控制拉桿式懸挑外腳手架整體結(jié)構(gòu)失效。

（2）針對拉桿式懸挑腳手架穩(wěn)定性的理論計算方法的總結(jié)，從能量的角度分別對拉桿式懸挑腳手架的局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性進行評估和研究更為合適，先建立體系的總勢能П 的表達式，根據(jù)總勢能駐值原理，取一階變分δП=0，由此可以得到關(guān)于臨界荷載的表達式。

（3）目前空間結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性主要通過有限元軟件來進行分析，而有限元軟件也正是基于結(jié)構(gòu)彈性和彈塑性力學理論編寫而成的，因此有必要了解結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析的基本理論。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的基本前提是獲得結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣，然后再通過求解線性或非線性方程組來得到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)及失穩(wěn)模態(tài)。而對于拉桿式懸挑腳手架結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬，Abaqus 大型有限元軟件更有優(yōu)勢，針對拉桿懸挑腳手架整體穩(wěn)定分析問題，首先應用非線性屈曲分析，估計最大臨界載荷和屈曲模態(tài)，然后作為引入缺陷之前的計算分析步，然后分析第二步，進行通用靜力分析。特征值屈曲分析用于預測一個理想彈性結(jié)構(gòu)的屈曲荷載、屈曲模態(tài)。

5 結(jié)束語

拉桿式懸挑腳手架結(jié)構(gòu)在工程實踐中逐漸發(fā)展起來，在具備良好力學性能的同時，其整體穩(wěn)定性的研究至關(guān)重要，但是國內(nèi)外對其的研究仍處于基礎階段。本文結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，從懸挑外架的發(fā)展、理論分析和數(shù)值分析等方面對拉桿式懸挑腳手架結(jié)構(gòu)進行了總結(jié)歸納，可為拉桿式懸挑腳手架結(jié)構(gòu)領(lǐng)域內(nèi)的研究，尤其是其整體穩(wěn)定性的研究提供依據(jù)。