附着式升降脚手架静力有限元分析

刘光明 李鹏举 徐 彬 崔利鹏 王宁铂 邱 凯

(1.中铁城建集团第一工程有限公司，山西 太原 030024； 2.山东大学，山东 济南 250100)

1 概述

为了满足城市化进程中国用地面积需求的不断增长，建筑结构开始向高层及超高层建筑发展。高层及超高层建筑施工难度较高，高空作业风险较大，为保障其施工过程的安全性、高效性，脚手架辅助施工工艺应运而生[1]。附着式升降脚手架具有防倾覆、防坠落的功能，大大降低了高层建筑施工过程中的安全风险，相比于传统脚手架，附着式升降脚手架可利用自身的升降动力设备实现逐层爬升的功能，大大提高了自身的机动性，节省了人力成本，提高了材料周转率，广泛应用于目前的高层建筑施工过程中[2-4]。

附着式升降脚手架主体多为薄壁钢构件，其力学性能受到高度关注，国内学者对此作出大量研究。东南大学王帆等[5]对爬架升降不同步工况进行研究，结果表明升降不同步对刚性脚手架影响较大；同济大学李国强[6]通过风洞试验得到了脚手架的阻力系数，对脚手架的工程应用提出了优化意见；南京工业大学戈文思[7]对架体组合提升与偏心提升共同作用下的力学特性进行了研究，并提出了相应的补强措施。

综上所述，目前国内学者通过大量试验及理论分析对附着式脚手架力学性能作出分析研究。为了提高有限元软件在附着式脚手架力学性能研究中的应用，使用大型有限元软件ANSYS对济南市某在建异形超高层项目附着式升降脚手架进行模拟，分析其力学特性，总结架体受力规律，分析架体受力薄弱部位，为实际工程应用提供参考。

2 工程概况

本文基于济南市某异形超高层在建项目，该本项目由1栋34F主塔楼及其6F裙房、2F整体地下车库组成，其中主塔楼建筑高度为165.5 m，结构类型为框架—核心筒，楼层边柱均为倾斜型钢混凝土柱，每根柱切斜角度不同。本工程34F主塔施工至第7层后开始搭设附着式脚手架，直至主塔主体结构封顶后，完成爬架高空拆除。

3 有限元模型的建立

3.1 材料参数

所取附着式脚手架每榀外排高度20 m，内排高度18 m，架体宽度0.6 m，水平跨度为10 m。使用有限元软件ANSYS进行建模分析，模型整体采用Beam188单元进行模拟，采用理想刚接模拟螺栓连接[8]，架体构件材料均为Q235钢材，容许应力为205 MPa，材料参数见表1，架体材料截面尺寸见表2，有限元模型见图1。

表1 模型材料参数

表2 附着式升降脚手架构件尺寸表

3.2 荷载组合及荷载施加

实际应用中附着式脚手架所受荷载可分为恒载、活载以及风荷载，其中恒载为架体及设备自重，活载包括施工人员及机具荷载等，风荷载为空气流动作用于脚手架迎风面上的荷载。

根据《建筑结构荷载规范》，不同工况下活载取值见表3。

表3 施工活荷载标准值

根据《建筑结构荷载规范》，风荷载采用式(1)计算：

Wk=βz·μz·μs·W0

(1)

其中，Wk为荷载效应组合设计值,kN/m2；βz为风振系数；μz为风压高度变化系数，按《建筑结构荷载规范》[9]确定；μs为脚手架风荷载体型系数；W0为基本风压，按《建筑结构荷载规范》[9]取值。

经计算正常工作工况：

Wk=βz·μz·μs·W0=1 316.1 N/m2。

提升工况：

Wk=βz·μz·μs·W0=658.05 N/m2。

采用ANSYS有限元软件中的Acel命令对模型施加重力加速度模拟架体自重荷载；考虑到实际工程应用中施工人员多在顶上两层脚手板活动，且机具、材料等多堆放于顶上两层脚手板，因此选取每榀脚手架顶上两层施加人员及机具、材料活载，同时将脚手板板面活载按照等效原则转换至两长边施加，以更好地模拟主框架传力特性；实际工程中风荷载直接作用在冲孔防护网片，然后通过接触将力传递至米字型桁架，因此模拟过程中直接将风荷载转化为桁架所受面荷载，再通过sfbeam命令施加于米字型桁架之上。荷载施加情况见图2。

模型考虑正常使用及提升阶段两种工况，并按以下两种荷载效应组合进行分析：1)恒载+施工活载；2)永久荷载+0.9(施工荷载值+风荷载)。

实际工程中正常使用工况下附着式脚手架每榀设6个附墙支座，因此有限元模型中将爬架对应位置处横杆自由度全部约束；爬架提升时最下层两个附墙支座需暂时拆除，故爬架提升工作工况下考虑每榀4个附墙支座，约束相应自由度。

4 有限元分析结果

4.1 正常工作工况

4.1.1 荷载组合1

图3～图7为正常工作工况荷载组合1下爬架应力及变形图，由图可知：架体变形整体呈现S型，最大位移发生在架体顶部悬挑位置，最大位移为3.37 mm；爬架最大应力为58 MPa，脚手板处最大应力为13.1 MPa，均处于容许范围内。

4.1.2 荷载组合2

图8～图12为正常工作工况荷载组合2下爬架应力及变形图，由图可知：架体变形整体呈现向内弯曲的趋势，且顶部位移明显大于底部位移，最大位移出现于爬架顶部，为20 mm；爬架最大应力为98.24 MPa，脚手板最大应力为16.2 MPa，均处于容许范围内。结合表4可知：正常使用工况考虑风荷载的荷载组合2下的爬架应力、变形明显大于未考虑风荷载的荷载组合1下，其中架体最大位移增大约5倍，架体最大应力增大约69.4%，脚手板最大应力增大约23.7%。

表4 正常工作工况荷载分析汇总表

4.2 提升工况

4.2.1 荷载组合1

图13～图17为提升工况荷载组合1下爬架应力及变形图，由图可知：架体于约束处产生折角变形，且架体上部变形明显大于下部，最大位移为17.4 mm，原因是提升工况下架体仅设4个附墙支座，架体重心整体下移，导致架体上部悬臂长度较正常使用工况下增大；爬架最大应力为145.5 MPa,脚手板最大应力为33.9 MPa，均处于容许范围内。

4.2.2 荷载组合2

图18～图22为提升工况荷载组合1下爬架应力及变形图，由图可知：爬架整体变形呈弧形，最大位移发生在架体悬挑顶部，为23.64 mm；架体最大应力为93 MPa，脚手板最大应力为15.8 MPa，均处于容许范围内。结合表5可知：提升工况考虑风荷载的荷载组合2下的爬架应力、变形明显大于未考虑风荷载的荷载组合1下，其中架体最大位移增大35.9%，架体最大应力增大约36%，脚手板最大应力增大约53.4%。同时对比表4可知，提升工况下风荷载对爬架主体应力、变形的不利影响均小于正常使用工作工况下。

表5 提升工况荷载分析汇总表

5 结语

利用有限元软件ANSYS对附着式脚手架在两种工况、两种荷载组合下的静力特性进行分析，总结其受力及变形规律。主要结论如下：

1)各种工况及荷载组合下爬架架体应力、位移及脚手板位移均处于容许范围内。各种工况下爬架架体最大应力均出现于三角桁架与导轨横杆相连接处，建议实际工程中对此处截面进行加强。

2)各种工况及荷载组合下爬架主要发生平面外弯曲变形，说明爬架平面外刚度小于平面内刚度，实际工程中可通过适当增设附墙支座等方式提高架体平面外刚度，防止架体变形过大。

3)风荷载施加后爬架位移明显增大，尤其是架体顶部位移，考虑风荷载后不同工况下最大位移分别增加了约500%和36%；风荷载的施加对正常工况下爬架受力产生较为显著的不利影响，但在一定程度上改善了提升工况下的爬架受力情况。

4)爬架提升工况下的应力、位移均大于正常工作工况，说明架体提升时施工风险高于正常工作时，实际工程中架体提升应严格按照规程操作。