外脚手架翻板式层间隔离结构有限元模型

王 春 福

(浙江广厦建设职业技术学院,浙江 东阳 322100)



外脚手架翻板式层间隔离结构有限元模型

王 春 福

(浙江广厦建设职业技术学院,浙江 东阳 322100)

阐述了外脚手架翻板式层间隔离结构的特点，利用有限元方法分析了静荷载和冲击荷载作用下该结构的可靠性，结果表明，翻板式层间隔离结构能有效承受日常环境下的静载荷与冲击载荷作用，结构可靠。

外脚手架翻板，静载荷，冲击荷载，有限元模型

0 引言

为解决外脚手架体内侧与结构外墙间的水平防护的安全性，笔者设计了一种翻板式层间隔离结构。应用有限元方法分析该翻板式层间隔离结构在静载荷和冲击荷载作用下的力学性能，分析结构可靠性。

1 翻板式层间隔离结构

根据“合页”的原理，翻板式层间隔离结构采用在靠结构体一侧装置活动翻板，翻板与脚手架内侧立杆连接，且能向外翻折与脚手板呈一水平面。正常情况下，将翻板翻下当作操作层平台使用或非操作层隔离措施使用。当要对外墙进行装饰施工操作或需进行垂直测量放线等层间交叉作业时，可将翻板翻上当作护脚使用[1](见图1)。

2 有限单元理论

有限单元法(Finite Element Method,简称FEM)[2]是指用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接得到近似解的结构分析方法。应用有限单元法进行结构分析得到的结果的可靠性等主要取决于模型建立时相关控制条件和参数的正确性。结构分析的核心任务是结构在受外荷载作用下的位移、应力和应变分析。应用有限单元法进行结构近似求解的基本步骤为：

1)结构(或构件)离散化；

2)研究单元的平衡和变形协调，形成单元平衡方程；

3)离散单元集合，形成离散结构节点平衡方程；

4)求解节点位移和计算单元应力，结果解释。

3 单向板竖向冲击时的动应力分析与计算

以重物钢与板的平面接触的瞬间作为冲击过程的起始状态，此时单向板尚未变形，其应变能为零，而重物的动能为：

(1)

重物在此处的势能可设为零。

当重物冲击板面与板接触后，两者发生共同运动。板受到压力产生变形，重物也随之下降，其速度也随之减小。当板的变形达到最大值时，即冲击点(板靠墙一侧长边的中点)沿冲击方向达到最大的动位移δd时，重物的速度减为零，重物的动能也等于零。此时，板所受到的最大冲击荷载Pd作用。此时刻即为冲击过程的终止状态。

在整个冲击过程中，重物减少的势能为:

V=Qδd

(2)

在整个冲击过程中，重物减少的总机械能为T+V。

由机械能守恒定律可知，重物所减少的动能和势能，全部转化为板的弹性应变能Ud，即:

T+V=Ud

(3)

式(3)表明，被冲击的单向板的应变能等于冲击荷载在冲击过程中所做的功。

在冲击过程中，冲击荷载和冲击点动位移都是从零开始增加到最终值，且两者呈线性关系，如图2所示。

(4)

其中，c为单向板的综合刚度；δst和δd分别为静位移和动位移。

(5)

将式(1),式(2),式(4)和式(5)代入式(3)，得：

解得：

(6)

即：

δd=Kd·δst

(7)

其中，

(8)

把v2=2gH代入式(8)，得:

(9)

其中，Kd为动荷系数；H为冲击物的最大位置高度。

(10)

Δd=Kd·Δst

(11)

其中，σst，Δst分别为静应力和静位移;σd,Δd分别为动应力和动位移。

讨论：

1)突加荷载情况：

2)冲击荷载情况(一般落体冲击情况)：

4 静载、动载作用下的有限元分析

根据翻板式层间隔离结构所在位置的工程现场环境分析表明，现场可能存在着施工操作人员站立与走动踩踏、楼层间砖块等大块物体掉落冲击和脚手架搭设过程中上层钢管竖向滑落冲击等几种加载情况，对翻板结构建立了静载、突加动载和冲击荷载作用下的力学模型，进行有限元计算与分析。

4.1 有限元模型建立

在分析采用不同脚手板搭设形式的脚手架构造时，认为采用竹笆脚手板时，承受静荷载与冲击荷载作用下的翻板结构为最危险情况。此时翻板的支撑情况如图3所示，其支撑条件为两端立杆处的连接件、钢板连接件和小横杆靠墙外伸端。用有限元分析软件ANSYS建立有限元模型，如图4所示。模型共划分节点7 104个，元素3 589个。通过组合，翻板结构有限元模型尺寸为1.5 m×0.3 m×0.05 m，根据约束情况设置边界条件为三个支点和一个简支边，在翻板靠墙边中点处设计加载点。

翻板材料与钢板连接件材料相关参数见表1。

表1 翻板与连接件材料相关系数

4.2 施工操作人员站立分析

模拟体重为75 kg施工人员站立情况，静载荷为735 kN，作用在靠结构墙体边的翻板长边中点时，其有限元分析的相应物理量云图如图5所示。

分析结果表明，Mises等效应力、总位移、第一主应力在安全范围内，能承受平均体重75 kg的施工人员静止站立的情况。

4.3 施工操作人员行走踩踏分析

模拟体重为75 kg施工人员行走踩踏，突加载荷为1 470 kN，作用在靠结构墙体边的翻板长边中点时，其有限元分析的相应物理量云图如图6所示。

分析结果表明，Mises等效应力、总位移、第一主应力在安全范围内，能承受平均体重下施工人员在工作过程中的行走所造成的突加荷载的作用，结构安全。

4.4 层间砖块掉落冲击分析

模拟层间施工过程中砖块掉落，多孔砖重约3.22 kg，从3.6 m高处掉落冲击载荷为11 372.8 kN，冲击作用于靠结构墙体边的翻板长边中点，其有限元分析的相应物理量云图如图7所示。

分析结果表明，Mises等效应力、总位移、第一主应力以及接触压力在安全范围内，能承受重约3.22 kg的烧结多孔砖从3.6 m处掉落的冲击荷载作用，结构安全。其中Y向应力值有最小值是由于翻板与小横杆连接处的“7”型连接件建模过程中连接设置引起的局部应力集中导致的接触应力过高，不影响整体性能。

4.5 钢管竖向滑落冲击分析

模拟层间脚手架搭拆过程中6 m长钢管掉落，钢管重25.8 kg，从3.6 m高处掉落冲击载荷为91 123.5 kN，冲击点为靠结构墙体边的翻板长边中点，其有限元分析的相应物理量云图如图8所示。

研究结果表明，Mises等效应力、总位移、第一主应力超出安全范围，不能承受质量为25.8 kg，长为6 m的钢管从3.6 m高处垂直滑落的冲击荷载作用，在脚手架搭拆过程中要注意操作安全性，以防此类情况发生。

5 结语

应用ANSYS软件建立施工现场环境中、不同荷载作用条件下的层间隔离翻板结构的有限元模型，对建模的基本理论和竖向冲击时的动应力分析与计算理论作出详尽的阐述，对结构的静态和动态荷载状态下的强度和刚度进行了有限元数值模拟分析，结果表明：

1)在承受施工操作人员站立荷载时，结构的Mises等效应力、总位移和第一主应力在安全范围内，满足翻板结构的可靠性要求。

2)在承受施工操作人员行走踩踏时的突加荷载和层间(落差高度3.6 m)砖块等易发生的块体坠落的冲击荷载时，结构的Mises等效应力、总位移、第一主应力和接触应力在安全范围内，满足要求。

3)在受到上层(落差高度3.6 m)脚手架搭设过程中偶然的钢管(长6 m)竖向滑落冲击荷载时，结构存在危险，该方案需进行优化与改进。

[1] 王瑜玲,蒋增河,王春福.外脚手架层间活动翻板的研究与应用[J].居业,2015(16)：86-87.

[2] 唐湘民.Autodesk Inventor有限元分析和运动仿真详解[M].北京：机械工业出版社,2009：25-30.

[3] JGJ 130—2011,建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范[S].

[4] 陈嘉强.浅谈脚手架方案的设计与结构原理[J].科技信息,2010(13):56-58.

The finite element model of turnover plate interlayer isolation structure of external scaffold

Wang Chunfu

(ZhejiangGuangshaConstructionVocationalTechnologyInstitute,Dongyang322100,China)

This paper described the characteristics of turnover plate interlayer isolation structure of external scaffold, using the finite element method, analyzed the reliability of static load and impact load of the structure, the results showed that the turnover plate interlayer isolation structure could effectively withstand static load and impact load in daily environment, had reliable structure.

external scaffold turnover plate, static load, impact load, finite element model

1009-6825(2017)11-0044-03

2017-02-07

王春福(1983- )，男，讲师，工程师

TU311.4

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