附着式升降脚手架结构力学分析与试验比对研究
2021-12-31贺利乐
韦 东，贺利乐
(西安建筑科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710055)
建筑施工装备的安全性、结构的稳定性以及工作的可靠性等问题愈发被重视，近年来由于附着式升降脚手脚所引发的安全事故已引起国内外科研结构及施工单位广泛关注的焦点之一。这对附着式升降脚手架在工作过程中的强度、刚度、稳定性以及精度的保持性等提出了更高的要求。脚手架在运行过程中一旦发生事故，轻则引起系统整体不运行，重则造成坍塌，造成生命财产安全。开展附着式升降脚手架的力学性能研究对提高设备整体工作的可靠性和服役的稳定性具有重要的实际应用意义。
本文以某建筑设施所使用的附着式脚手架为研究对象，根据实际施工要求，研究脚手架在运行过程中发生失稳、安全性问题的成因，针对此类产品的力学性能进行分析和实验对比研究，目的在于揭示脚手架在不同工况下的真实受力状态，为附着式脚手架安全可靠的运行技术支撑。
1 国内外研究现状
附着式升降脚手架是一种新型的建筑施工工具，是我国施工人员发明的具有独立知识产权的高层建筑施工工具。目前国外无此类产品的设计研发单位，未查到相关技术研究内容。国内对于此类产品的力学性能的研究也只限于钢管扣件搭设的架体结构，对于目前市场主流附着式升降脚手架的力学性能研究较少。在行业飞速发展的同时，亟须以试验为基础的力学分析方法作为指导，以便更好地对产品性能进行综合评定。
2 力学性能分析
2.1 附着式升降脚手架工作原理
附着式升降脚手架作为一种新型的施工防护平台，其平面结构如图1 所示，其在施工过程中整体安装于建筑物的四周并安装在附墙支座上，附墙支座通过预埋螺栓附着支撑在建筑物墙体上。主架体附着安装于附墙支座上，并通过导轨依附在于提升装置的外侧。提升电动葫芦安装于提升支座上，提升支座通过地脚螺栓固定安装于建筑物上，提升钢丝绳一端连接于提升电动葫芦挂钩上，另一端通过吊环连接于吊点桁架上，脚手架每提升或下降一次的高度为一层楼高。
图1 附着式升降脚手架结构示意图
2.2 附着式升降脚手架工作载荷
附着式升降脚手架在施工过程中，主架体承受所用的载荷，包括脚手架自重、施工人员及施工材料的载荷，同时在高层及超高层建筑的施工时，风载荷不容忽视，其中施工载荷是建筑施工过程中所必须考虑的载荷，也是JG/T 546-2019《建筑施工用附着式升降作业安全防护平台》中所严格规定的荷载。因此无论是在架体的设计阶段，还是在高层施工过程中，导轨、立杆等的受力必须认真考虑，保证脚手架安全可靠的运行。
附着式升降脚手架所受载荷分为恒荷载、活荷载和风荷载，恒荷载是指架体自重产生的，活荷载是施工中施加的载荷，风荷载是指在高空中所受风力的载荷，本文不对风荷载进行研究。
根据JG/T 546-2019《建筑施工用附着式升降作业安全防护平台》，脚手架施工过程中的规范活荷载如表1 所示。
表1 荷载标准值
2.3 架体结构应力计算
经调查研究发现，目前行业内主流产品结构特点如下：①竖向主框架采用8#槽钢为导轨，内立杆为80mm×40mm×3mm 的矩形管，外立杆为80mm×40mm×3mm 的矩形管，架内外立杆采用Z 型撑连接，保证架体内外刚度；②水平支承桁架采用片式桁架结构连接，桁架采用60mm×30mm×3mm 的矩形管焊接而成；③附墙支座采用槽钢形式，通过筋板连接；④架体构架部分立杆采用80mm×40mm×3mm的矩形管，脚手板采用60mm×30mm×3mm 的矩形管焊接而成。其结构如图2 所示。
图2 架体结构示意图
附着式升降脚手架在现场使用过程中主要有升降工况和使用工况两种状态。建筑物主体结构完成一层，整个架体需要沿主体上升一次，上升至合理位置后，转换为使用工况，工人在架体上做绑筋或支模作业，两种工况的受力情况有所不同，在检测其应力时选取的点位也不同。
2.3.1 升降工况架体受力分析
架体在升降时，主要动力机构为电动葫芦，电动葫芦拉动架体上升，其传力情况如图3 所示。
图3 升降工况架体力的传递图
通过以上力的传递结构，升降工况下主要受力结构为提升支座、下吊点、竖向主框架（下部靠近下吊点）、水平支承桁架等部位，根据以上受力情况，预选出架体测点如图4。
图4 架体升降工况结构应力测点示意图
2.3.2 使用工况架体受力分析
架体在使用时，水平支承桁架将构架立杆的力传递到主框架，再由导轨传递给支座，其传力情况如图5。
图5 使用工况架体力传递图
通过以上力的传递结构，使用工况下主要受力结构为脚手板、内外立杆、水平支承桁架、竖向主框架（靠近支座处）、附墙支座等部位，根据以上受力情况，预选出架体测点如图6。
图6 使用工况架体结构应力测点示意图
2.3.3 架体结构应力计算
根据架体受力情况，利用有限元分析，对架体自重和活荷载产生的应力值情况进行了详细计算，根据样架结构应力计算书，选出对应位置的自重应力以及加载后应力最大值，如表2。
表2 架体测点结构应力计算表
3 力学性能试验
3.1 测试流程
附着式升降脚手架结构应力测试流程如图7所示。
图7 附着式升降脚手架结构应力测试流程图
3.2 结构应力测试结果
试验中，通过应变测试系统采集测点位置应变值，乘以钢材的弹性模量即为测点位置的应力值，试验中采集到的12 个测点在不同工况下测试数据如表3。
表3 结构应力试验数据表
4 结论
通过表2计算值和表3试验值对比结论如下。
1）测试工况架体合应力值与理论计算结构基本吻合，上升和下降工况架体实测结构应力值偏差较大。
2）上升和下降工况实测结构应力值偏差较大，是因为活载对架体产生应力值升降工况偏差较大，结构应力受架体摩擦力影响较大。
3）升降工况结构应力计算值和试验值偏差较大，通过上升和下降应力值的均值进行对比，可发现去除架体摩擦力影响后的结构应力与理论计算值差值明显减小。
本文架体结构理论分析值基本与试验值吻合，分析结果正确、合理。
