不同半刚性钢管脚手架的节点性能研究

叶 斌

(广西路桥工程集团有限公司,广西 南宁 530200)

0 引言

钢管脚手架是在建筑和桥梁工程施工过程中,为施工过程顺利而搭建的临时工作平台或作业通道。其在具有较大承载能力的同时,还有装拆方便、安装效率高的优点,因此具有良好的社会经济效益,被广泛应用于各类桥梁、建筑等结构的施工当中[1-3]。同时,为了满足不同工程适应性、经济型及安全性等方面的需要,钢管脚手架亦发展出了多种不同的结构形式,其中包括由于杆件本身为薄壁杆件的缘故,而导致横杆、立杆间节点出现半刚性力学性质的半刚性钢管脚手架,这类支架又以盘扣式脚手架与插销式脚手架(ADG脚手架)两类较具代表性[4-5]。

所谓半刚性节点,即脚手架的连接节点处并不是铰接亦不是完全刚接,而是介于铰接与刚接之间的半刚性连接,因而其在受力时,杆件在承受弯矩的同时,又会在节点处发生相对转动[6]。许多学者对半刚性节点这一特殊力学特性对脚手架性能的影响开展了研究。其中邹阿鸣等[7]通过在SAP2000中采用三折线模型模拟了碗扣式脚手架节点的材料非线性以及几何非线性,建立了碗扣式脚手架的精细化数值模型,并由此对影响碗扣式脚手架受力性能的因素进行了研究。向洋等[8]通过有限元模拟与试验对照的方法,验证了Clough二折线半刚性节点模型在插销式脚手架节点精细化模拟中的准确性。吴福宝等[9]指出半刚性节点将对脚手架的自振周期产生不可忽略的影响,其中低阶模态所受影响最大。陈少强[10]采用线性刚度模型研究了插销楔紧度对十字形脚手架半刚性节点的影响,最终得到支架承载力随插销楔入深度的变化规律。

上述研究探讨了半刚性节点对钢管脚手架的特殊影响,极大地促进了半刚性脚手架的合理设计与安全使用。但同时也发现,当前研究对于不同半刚性钢管脚手架的节点性能讨论并不充分,对不同半刚性钢管脚手架间节点性能存在的差异亦未能有详细研究。为此本文针对上述两类具有代表性的半刚性钢管脚手架,即盘扣式脚手架与插销式脚手架进行建模分析,通过ABAQUS软件分别建立盘扣式脚手架节点模型及插销式脚手架节点模型,对上述两类脚手架的节点性能进行模拟分析,并进行对比研究,所得结果将为半刚性脚手架设计选用提供参考。

1 结构模型的建立

盘扣式脚手架起源于德国,后被引入我国,是目前国内实际工程中使用较为广泛的一类脚手架。其主要由立杆、横杆、圆盘、插销以及斜杆等部件组成,横杆和斜杆与立杆通过其上的圆盘插接连接,并通过插销楔紧,形成几何不变体系。ADG脚手架又称插销式脚手架,是一种自锁式模块脚手架,同样是由立杆、横杆、斜杠等构件组成,与其他类型脚手架的主要区别是横杆与立杆的连接方式不同,其横杆与立杆上分别焊接有U型卡和C型卡,通过插销将U形卡件与C形卡楔紧固定,从而形成三角形稳定架体。本文通过ABAQUS软件对上述两类半刚性脚手架节点进行建模分析。

为便于比较,盘扣式脚手架及插销式脚手架立杆与横杆均采用48系杆件进行研究,同时其节点构件尺寸及材质均采用实际工程中规范尺寸进行模拟,其具体参数如表1所示。

表1 盘扣式脚手架及插销式脚手架详细特性及材料参数表

根据上述尺寸在ABAQUS软件中创建三维实体单元并进行模型装配。为研究脚手架节点性能,上述两类脚手架立杆长度均取440 mm,横杆端部距立杆中心距离取220 mm,横杆与立杆间的连接为半刚性连接,其本构关系采用二折线模型进行模拟。立杆两端均设为刚接,横杆端部为自由端,依据测试项目不同,在横杆端部上作用不同荷载。盘扣式脚手架及插销式脚手架的节点模型如图1及图2所示。

图1 盘扣式脚手架节点模型图

图2 插销式脚手架节点模型图

2 半刚性脚手架节点性能分析

2.1 节点抗拉性能

通过在节点模型左右横杆端部分别施加大小相等、方向相反的拉力,以检验节点的抗拉性能,加载示意图如图3所示。采用逐级加载的方式,将0～40 kN的荷载按照每级4 kN的形式逐步施加,最终得到如图4所示的荷载位移变化曲线。由图4(a)盘扣式脚手架的荷载位移变化曲线可知,在双向拉力作用下,脚手架的荷载位移曲线呈现明显的非线性变化特性,这对应于节点刚度的非线性软化特征,即随着荷载的增大,节点结构处的刚度开始逐渐降低。其具体表现为:在加载的初始阶段,即当拉力<20 kN时,节点刚度几乎不变,荷载与位移呈线性关系;而后随着荷载的进一步增大,即当拉力>20 kN时,节点刚度开始出现明显的降低,此时结构进入弹塑性变形阶段,在这一阶段中,拉力的小幅度增加将导致结构位移的大幅增大,这将对结构的安全性能产生不利影响,当荷载继续增大时,将可能导致结构发生延性破坏。同时由于存在塑性变形的缘故,结构在卸载后,将存在不可恢复的残余变形,造成构件的永久性损害,因而在结构设计使用中需予以重视。

图3 节点抗拉分析加载示意图

随后同样对插销式脚手架的节点抗拉性能进行分析,由图4(b)可知,插销式脚手架的节点受拉变化特性与盘扣式脚手架的变化特性相似,其曲线同样是在初期保持着刚度线性,而后随着荷载的增大开始呈现非线性特征。两者有所不同的是,插销式脚手架开始发生塑性屈服点的位置要略高于盘扣式脚手架,这一差异的原因主要归功于两类脚手架节点结构形式的不同。当脚手架节点受拉时,盘扣式脚手架主要依靠盘扣-插销-锁头接触传递应力,插销式脚手架则是通过立柱的U型卡-插销-横杆的C型卡接触传递应力,这一结构形式不同,使其节点构件的变形程度不同,导致受拉性能存在差异。

2.2 节点抗弯性能

半刚性钢管脚手架的节点抗弯性能是区分其与其他脚手架的主要特征。半刚性是介于铰接与刚接之间的连接形式,其在承受弯矩荷载时,在节点处并不能保持原有夹角,而是在节点处发生相对转动,这一半刚性连接特性,通常采用弯矩-转角的变化关系来表示。

以下通过在结构节点模型左右横杆端部施加竖直向下的集中力,以检验半刚性钢管脚手架节点的弯曲性能,加载示意图如下页图5所示。有限元模拟采用逐级加载的方式,将0～5 kN的荷载按照每级0.5 kN的形式逐步施加,最终提取得到如下页图6所示的弯矩-转角变化曲线。

图5 节点抗弯分析加载示意图

(a)盘扣式脚手架

由图6(a)盘扣式脚手架节点弯矩与转角关系可以看出,随着节点所承受弯矩的逐渐增大,节点处产生了由弹性变形逐渐过渡到弹塑性变形的过程,节点的抗弯刚度存在显著的非线性特征。当节点弯矩<0.77 kN·m时,节点弯矩与转角的变化关系接近线性变化,此时节点处于弹性弯曲变形阶段,节点抗弯刚度维持不变。而当节点所承受弯矩>0.77 kN·m时,节点弯矩与节点转角的关系曲线开始出现非线性,节点的抗弯刚度随着节点弯矩的增大而逐渐降低,导致节点转角迅速增大。节点弯矩产生非线性的原因是,由于在节点弯矩的作用下,横杆会将弯矩传递到锁头,而后锁头再传递给插销及圆盘,最终圆盘将弯矩传递到立杆处,完成荷载的传递过程,而在这一传递过程中,由于各个构件发生塑性变形和相对移动,最终导致节点的抗弯刚度出现了非线性特征。

随后对图6(b)插销式脚手架节点抗弯进行分析可知,节点转角与弯矩的变化同样是由线性变形发展到弹塑性变形的过程。通过与图4比较可知,两类半刚性脚手架的主要区别是,弹性与弹塑性变形分界点对应的节点弯矩不同,盘扣式脚手架节点开始发生弹塑性变形的临界节点弯矩要大于插销式脚手架。

2.3 结果分析

通过分析上述节点受拉及受弯性能可知,这两类半刚性脚手架在拉力和弯矩作用下,均出现了明显的非线性现象,荷载与变形首先维持线性状态,达到临界屈服点后,节点刚度开始软化,荷载与节点变形转变为非线性关系,此阶段中随着荷载的小幅度增加,将导致结构变形的迅速增大。此外发现,盘扣式脚手架在受拉力作用时,其屈服荷载高于插销式脚手架,而在受弯矩作用时,其屈服荷载低于插销式脚手架。

3 结语

本文通过ABAQUS软件分别建立了盘扣式脚手架节点模型及插销式脚手架节点模型,随后对两类半刚性脚手架节点的抗拉以及抗弯性能进行了模拟分析,得到如下结论:

(1)两类半刚性脚手架在拉力和弯矩作用下,其荷载曲线均出现了由线性变化关系转变为非线性变化关系的现象,节点刚度随着荷载的增加而发生软化。

(2)经进一步对比节点屈服荷载发现,在节点抗拉承载能力方面插销式脚手架要略优于盘扣式脚手架,而在节点抗弯承载能力方面盘扣式脚手架则要优于插销式脚手架。

理清半刚性脚手架的节点特性以及不同脚手架的受力性能,将有助于帮助工程现场进行临时脚手架设备的选取,为施工现场安全提供保障。