满堂脚手架在水平荷载作用下承载力与屈曲分析

2017-03-15何夕平

宿州学院学报 2017年1期

关键词：满堂架体扣件

何夕平，陈冉

安徽建筑大学土木工程学院，合肥，230601

满堂脚手架在水平荷载作用下承载力与屈曲分析

何夕平，陈冉

安徽建筑大学土木工程学院，合肥，230601

在考虑水平荷载下,对两种不同满堂扣件式脚手架架体进行ANSYS有限元屈曲分析，得出水平荷载对脚手承载力有一定影响，架体承载力随水平荷载增加而减少，二者成近似线性关系。同时对比不同工况、不同水平荷载大小下架体的屈曲模态和承载力相对下降幅度，得出竖向剪刀撑比水平方向剪刀撑更能有效提高考虑水平荷载架体的承载力。

扣件式；脚手架；水平荷载；承载力

满堂扣件式钢管脚手架在我国建筑工程中使用广泛，具有使用、搬运方便快捷，安全可靠度较高，可重复使用，节约成本等特点。但近年来大跨度、高支模等结构愈来愈多，脚手架发生坍塌导致作业人员伤亡事件亦屡见不鲜，因此脚手架安全性问题一直是工程施工中关注的重点。本文重点讨论通过ANSYS有限元软件建立一个满堂扣件式钢管脚手架的实例模型，通过对比在竖向荷载作用下与竖向荷载和水平荷载同时作用下时模型受力和变形特点，对模型进行承载力特征曲屈分析，以期使脚手架模型与实际工程受力特点相近，从而为实际工程提供参考与借鉴[1]。

1 建立两种参数模型

某工程满堂扣件式钢管脚手架架体高4.7 m，立杆间距1.2×1.2 m，架体步距1.5 m，扫地杆离地搭设高取0.2 m，钢管尺寸采用Φ48.3×3.5，钢材弹性模量E取值2.06×105N/mm2，密度7800 kg/m，泊松比0.3，屈服强度235 MPa。支架体系采用通用有限元软件ANSYS进行受力分析，因扣件式钢管脚手架在纵横杆、立杆、剪刀撑方向受力情况有所不同，故采用Beam188单元模拟水平杆和立杆，Beam44单元模拟剪刀撑设置，Combin14单元模拟扣件的扭转刚度，本文架体选取扭转刚度为20 KN·m/rad，并通过耦合重合节点x、y、z三个方向的自由度模拟节点半刚性[2]。立杆底部采用铰接约束。分别选取无剪刀撑和有剪刀撑两种架体进行屈曲模态和承载力对比分析，模型如图1所示。图中架体一未设置剪刀撑，架体二在有水平和竖向分别设置剪刀撑。

图1 计算模型图

2 水平荷载在不同工况下对架体承载力影响

2.1 水平荷载值的选取

在实际浇筑施工操作中，产生架体水平方向的荷载较复杂，主要是在混凝土浇筑施工时，混凝土泵输送混凝土时产生水平冲力、振捣器在振捣时的水平冲击力、风荷载的影响等，本文水平荷载取值结合《建筑施工模板安全技术规范》(JGJ162-2008)[3]，在ANSYS软件中空间坐标轴x方向架体顶端每个节点分别施加1.2 KN集中力，五个节点总共施加6 KN水平荷载。竖向荷载以集中力形式作用在架体顶端每个节点上[4-8]。

2.2 不同工况下承载力分析

(1)为研究水平荷载对钢管扣件式满堂脚手架承载力的影响和变形特征，通过ANSYS有限元屈曲分析得到六种不同工况下架体的稳定承载力和一阶屈曲失稳模态。各工况架体搭设参数、设置要求和求解得出的稳定承载力详见表1，屈曲失稳模态见图2。

表1 各工况架体稳定承载力

(2)工况1与工况2属于无剪刀撑架体(图1架体一)。工况1仅施加竖向荷载，工况2施加水平荷载和竖向荷载，其他设置相同。由表1可知，无水平荷载时架体稳定承载力为16.667 KN，施加水平荷载后，架体稳定承载力下降1.152 KN，下降幅度为6.91%。工况1架体失稳模态朝着一个方向倾斜，施加水平荷载后，工况2架体发生整体扭曲。工况5与工况6属于有剪刀撑架体(图1架体二)，分别在架体水平方向与竖直方向设置剪刀撑，工况5施加水平荷载，其他参数设置与工况6相同。由表1得出，工况6的稳定承载力为26.879 KN，工况5在施加水平荷载后承载力下降0.955 KN，为25.924 KN,下降幅度较小，仅为3.55%。由图2可知，工况5架体立杆失稳模态似正弦函数的弯曲，与工况6失稳模态相似，但工况6未施加水平荷载，立杆弯曲幅度小于工况5立杆。由表1和图2可知，当考虑施工过程中各种水平荷载作用于架体时，荷载对扣件式满堂脚手架架体的承载力有一定影响，对未设置剪刀撑的架体，承载力下降幅度更为明显。同时，剪刀撑的设置能明显提高满堂脚手架架体的承载力，如表1中工况5相对工况2，其承载力提高67%。

图2 各工况架体一阶屈曲失稳模态

对比工况2与工况3，架体分别施加6 KN的水平荷载，工况3在架体顶部和底部各设置一道水平方向的剪刀撑，架体稳定承载力仅提高0.067 KN，提高幅度不大，架体发生侧向的扭曲变形，与工况2变形相似。对比工况2与工况4，同时施加水平荷载，工况4在架体四周各设置一道竖向剪刀撑，架体承载力提高9.234 KN，提高幅度为59.5%，说明扣件式满堂脚手架架体在考虑水平施工荷载作用时，竖向剪刀撑设置能够有效抵抗施工时水平荷载对架体稳定承载力产生的不利影响，对架体整体稳定性、施工安全起重要作用。

2.3 不同大小水平荷载条件下两种架体承载力变化分析

在工程现场实际施工过程中，混凝土浇筑时对扣件式满堂脚手架架体产生的水平荷载不是一个确定的数值，其大小受多种不确定因素影响。李靖对混凝土浇筑时所受泵送水平荷载进行了理论计算和试验研究，并推导出浇筑泵管对支架架体产生的冲击力估算公式[9]：

F′=ΔP1L′πr2

=2πr[(3-0.1)s×102+(4-0.1)s×102

(1)

式中，F′为模板支架受到的冲击力(N)，ΔP1为水平管平均每米长管压力损失(kPa/m)，L′为模板支架接触点至出口输送管经过水平换算后的总长度(m)，r为输送管的半径(m)，s为混凝土的塌落度(cm)，Q1为混凝土泵理论排量值(m3/h)[10-12]。根据公式(1)，本文选取从3 KN变化到10.5 KN的水平荷载施加在架体一与架体2上，对架体稳定承载力进行有限元屈曲分析，得到水平荷载与架体承载力的关系。两种架体各参数除水平荷载外，分别与表1中工况1与工况6相同。计算结果如表2和图3所示，表2、图3中a表示架体一相对与工况1承载力下降的幅度，b表示架体二相对与工况6承载力下降的幅度。

表2 不同大小水平荷载对架体承载力影响

图3 不同大小水平荷载下两种架体承载力下降幅度

根据表2和图3相关数据对比分析，两种架体稳定承载力相应的下降幅度与水平荷载在3 KN～10.5 KN的范围内基本成线性比例关系，但斜率不同。随着水平荷载的逐步增加，架体一承载力由16.312 KN下降至13.876 KN，下降幅度从2.13%～16.75%，而架体2承载力从26.524 KN下降到24.792 KN，下降幅度从1.25%～7.76%，相比架体一下降幅度明显减少。由此剪刀撑的设置能抵抗和减少水平荷载对架体承载力的影响，同时水平荷载对满堂脚手架架体稳定承载力的影响并不能忽视，在验算架体承载力时应考虑水平施工荷载影响。