附着式升降脚手架的受力分析与有限元分析

李秋生　白欣

摘 要：文章以附着式脚手架为研究对象，建立三维实体模型，对脚手架不同状态下进行载荷分析，利用有限元分析软件对重点受力部位进行模拟分析，验证了计算过程的正确性和系统的安全性，为脚手架的优化设计提供了参考依据。

关键词：附着式升降脚手架；受力分析；有限元分析

附着式升降脚手架由于在工作过程中具有装卸方便、承受载荷较大、架体的刚度和强度高等优点，目前已成为建筑施工领域应用最多的一种脚手架。遗憾的是也许出于对专利技术的保护，在国内外权威出版机构和报刊上很少见到对脚手架设计的资料书籍，这就给工程人员的研究设计造成了不便。文章就当前工程现场所用脚手架结构进行受力分析的探讨，整体结构如图1所示。

1 脚手架结构组成

附着式升降脚手架系统的组成如图2所示，主要有以下几部分

（1）架体主结构：由导轨主框架、横向水平杆、纵向水平杆、角钢，承重底板、侧面立杆等构成。架体主结构一般为一个整体刚性结构，现场施工时安装完成后直接使用。

（2）升降系统：由上、下吊点，提升设备，连接部件（螺栓等）构成。

（3）防坠系统：每个附墙点处均设有独立的摆针式防坠装置，每个主框架至少有3个独立附墙点，即有至少三套防坠装置，采用防坠落理念。

（4）电气控制系统：由总控箱、分控箱、遥控系统构成。

本升降脚手架的升降采用电动葫芦升降，并配设专用电气控制线路。该控制系统设有漏电保护、错断相保护、失载保护、正、反转、单独升降、整体升降和接地保护等装置，且有指示灯指示。线路绕建筑物一周布设在架体内。

（5）架体防护：随架体搭设同步完成的安全防护措施， 包括有底部密封板、翻板、立网、水平兜网、护身栏杆等构成。

架体安全装置主要包括附着支承结构、防倾覆装置、防坠落装置、有效的安全防护措施。其中附着支承结构是直接与工程结构连接，承受并传递脚手架荷载的支承结构，包括导向座、承重立杆等结构，是附着升降脚手架的关键结构。

2 脚手架载荷计算

脚手架所受载荷主要分为永久性载荷与可变载荷，可变载荷与脚手架的使用状态有关，架体在投入使用后主要分为正常使用状态、升降状态与坠落状态三种状态，下面就这几种状态对其所受载荷进行计算。

2.1 永久荷载的计算

永久荷载包括架体部分、工作过程中所用到的设备、装置等的自重。按《建筑施工工具式脚手架安全技术规范》JGJ 202-2010 及其他国家标准规定。

经计算脚手架自重标准值为7.068kN。

2.2 可变载荷的计算

按照《附着式升降脚手架管理暂行规定》，使用状态下，按每层受载为3.0kN/m2计算载荷；升降或坠落状态下，按每层受载为0.5kN/m2计算载荷。

2.2.1 在使用状态下施工活荷载的计算

脚手架的计算面积：0.6779×4=2.7m2

总施工活荷载为：3.0×2×2.71=13.26kN

2.2.2 在升降和坠落状态下施工活荷载的计算

活荷载为：0.5×2×2.71=2.71kN

即在正常施工状态下的活荷载为13.26kN，脚手架自重为 7.068kN

2.3 总荷载 S的计算

S=γ×（γG×GK+γQ×QK）

式中：γG-永久荷载分项系数，取为1.2；GK-脚手架自重；γQ-可变荷载分项系数，取为1.4；QK-可变荷载组合系数，取为0.85；γ-荷载变化系数，使用状况下荷载变化系数取为γ1=1.3；升降工况下取γ2=2.0。

正常施工状态下总荷载为：

F=1.3×（1.2×7.068+0.85×1.4×13.26）=35.2kN

正常升降状况总荷载为

F=2.0×（1.2×7.068+0.85×1.4×2.71）=24.6kN

显然，在正常工作状态下总荷载更大。

3 重要部位受力分析与校核

根据上述推算可知，在正常工作状态下总荷载更大。因此，分别就正常工作状态或在正常工作过程中发生突然性的坠落情况下，对脚手架主要受力部位进行计算校核，若计算得到的结构强度满足要求，则在正常升降过程中结构各部分的强度亦可满足要求。

3.1 正常工作状况

材料为Q235A，规格是？准48×3.5mm的脚手架钢管截面力学特性如下：

（1）截面积Ao=4.89cm2；（2）惯性矩Io=12.19cm4；（3）抵抗矩Wo=5.08cm3；（4）惯性半径i=1.58cm；（5）抗拉、抗弯、抗压强度设计值[f1]=200N/mm2；（6）抗剪强度设计值[f2]=115N/mm2。

本脚手架结构共有六步，每步高度为1.75米，由其工作状态可知，最下层的两步所受力最大，此处对最下层的两步进行受力分析。最下层承重杆及其固定螺栓的校核如下。承重杆与导轨杆之间相互挤压，所受力为相互作用力，大小相等且方向相反，承重杆与固定螺栓间受力关系如图3。挤压载荷以求出为17841N，有效挤压面积3.14×12×12=452mm2，挤压应力P4为17841N/452mm2=39.5N/mm2<[f1]=200N/mm2，故承重杆也满足强度条件承重杆处固定螺栓所受载荷为17841N/2=8920.5N，有效挤压面积为7×16=112mm2，则螺栓与承重杆底杆的挤压应力P5和P6相等，其方向位置示意如图3，均为8920.5N/112mm2=79.6N/mm2<[f1]=200N/mm2，故螺栓可以满足挤压。同时固定螺栓还受到剪切力，有效剪切面积为3.14×16×16=804mm2，每处所受剪切力为17841N/2=8920.5N，则剪切应力为8920.5N/804mm2=11.1N/mm2<[f2]=115N/mm2。

3.2 坠落状况

3.2.1 基本载荷的计算校核

由于工程实际中工作状况复杂，可能出现活载荷突然增大、螺栓部位连接松动、连接件脱落、构件锈蚀强度降低以至于架体承重失效，出现坠落等情况，为保证施工人员和财产安全有必要对整个结构进行坠落状况的校核分析，本脚手架的预定最大坠落高度为150mm，坠落时间由S=1/2at2，解得坠落时间t=0.17s，制动前瞬间架体的整体速度v为：v=g×t=9.8N/m2×0.17s=1.67m/s，坠落状况下，防坠器与导轨横梁之间相互挤压，产生巨大的冲击力，从而对结构的强度要求较大，通常是结构强度能否满足工作要求的极端条件，防坠器在短时间进行制动，可认为制动时间为0.05s，由动量定理可得制动力Fz满足F×△t=m×△v，带入已知数值可求的制动力Fz=59840N。

3.2.2 导轨杆的校核

导向座连接墙体与脚手架架体，为主要承力部件，如图4。当发生突然坠落情况时，防坠器与导轨杆相互挤压产生巨大的抗力进行制动。

（1）导轨杆的剪切强度计算。导轨杆横截面积为1/4×3.14×（38×38-31×31）=380mm2，59841N/2=29920.5N，则所受剪切力为29920.5N/380mm2=78.7N/mm2<[f2]=115N/mm2，满足剪切效应下的强度条件。

（2）导轨杆的挤压强度计算。防坠器与导轨杆相互挤压，制动时间较短，制动力较大且为相互作用力，大小相等方向相反，制动载荷为59840N，有效挤压面积78×4=312mm2，则挤压应力为59840N/234mm2=189/mm2<[f1]=200N/mm2，故承重杆也满足强度条件。

脚手架整体各部位在坠落情况下具有相同的运动状态，及各个零部件的速度和加速度在任何时候均相等，故各部位所受的制动力相比正常工作状况下的载荷扩大相同的比例，我们已经对承压最大的部位进行了计算校核并满足强度条件，则其余承压较小的部位自然也满足强度条件，不再重复计算。

4 ANSYS分析结果和结论

将三维模型导入ANSYS，材料属性全部按照实际生产选用材料设定。另外，为了避免在分析过程中出现意外中断，销轴的外径与铰接孔径相同，均为面接触。

4.1 承重杆及其固定螺栓的校核验算

从图5的结果可以看出，承重杆及其固定螺栓所受到的应力均较小，最大应力均不超过58.566MP，而承重杆和固定螺栓材料的许用压应力值为200N/mm2，需用剪切应力为115N/mm2，故可知承重杆及其固定螺栓均满足强度条件，同时证明上述理论计算结论正确。

从图6可以看出，承重杆在载荷作用下会有一些微变形，其中最接近导轨横杆的顶杆部位形变较大，但仍然满足工程的使用条件。

4.2 脚手架架体的受力校核计算

导轨处的竖杆所受载荷最大，故对其进行Ansys的分析校核。

图7是附着式升降脚手架的竖杆在Ansys软件中的应力图，由图可知竖杆由低端到顶端的应力呈现下降的趋势，低端所受的最大应力整体不超过材料的许用拉、压和抗弯应力200MP，及满足挤压和抗弯强度条件，与理论计算结论相符。图8是附着式升降脚手架的竖杆在Ansys软件中分析得到的整体变形图，由图8所示情况，可明显看出，在竖杆的底端所受载荷大，因而变形最大但整体不影响脚手架的正常使用。

5 结束语

（1）通过计算得出附着式升降脚手架在正常升降工况时所受载荷最大。（2）通过对附着式升降脚手架重要受力部位进行受力分析得出均满足强度条件。（3）利用有限元分析软件对脚手架系统进行模拟分析，其结果与理论分析结果极为吻合，说明了计算过程和方法的正确性。经过分析，承重杆在最接近导轨横杆的顶杆部位形变较大，竖杆由低端到顶端的应力呈现下降的趋势，为今后附着式脚手架结构的改进提供了参考。

参考文献

[1]JGJ202-2010.建筑施工工具室脚手架安全技术规范[S].

[2]JGJ 59-2011.建筑施工安全检查标准[S].

[3]建筑监督检测与造价[J].2008，1（4）：43.

[4]导座式附着升降脚手架施工技术[J].

[5]附着升降脚手架设计和使用管理暂行规定[S].2000.

[6]陈鹏，黄光标.附着式升降脚手架安全管理技术要点[M].中国建筑工业出版社，2008.

作者简介：李秋生（1959-），男，教授，河北工程大学机电学院院长，硕士生导师，承担多次省级和市级科研项目，国家专利11项，发表论文50余篇。