基于ABAQUS的花篮式悬挑脚手架受力特点研究

周 雷 于金金 马克华

（1．中铁建设集团有限公司，北京 100000；2．中咨海外咨询有限公司，北京 100000）

常规落地式钢管脚手架存在安全稳定性较低、经济效益较差和搭设不便等问题，新型悬挑脚手架具有经济性好、稳定性高等优点[1]，有较高的工程应用价值。因为悬挑脚手架避免了从地面开始架设支架，从而降低了脚手架的架设高度，进而减少了水平风荷载及杆件自重的影响，所以更安全稳定。悬挑脚手架适用于不便搭设支座的工程情况，适用性更广[2]。在很多工程施工现场作业的过程中，地面不平整、场地过于狭小以及材料消耗量大会导致无法直接在地面搭设落地式钢管脚手架，因此，悬挑脚手架是比较合适的外架方案选择。

因为脚手架工程直接影响施工现场人员和建筑结构安全，所以，悬挑脚手架结构必须具有足够的刚度、强度和稳定性以抵抗自重荷载、风荷载和施工活荷载。目前花篮式悬挑脚手架的研究多为施工技术方面，关于悬挑钢梁体系的受力情况研究较少[3]。基于此，该文根据工程案例建立三维仿真模型，通过ABAQUS软件对数值进行仿真，研究新型悬挑脚手架结构整体受力变形规律和连接部位强度，分析悬挑体系中斜拉杆和端板的受力情况。

1 悬挑钢梁模型有限元模型

1.1 ABAQUS软件介绍

该文用ABAQUS软件进行建模分析。ABAQUS有限元软件由法国达索公司开发，该软件采用有限元方法求解问题，广泛适用于各种不同的工程情况。不论是简单的线性问题还是复杂的非线性问题都可以使用ABAQUS软件建模求解，功能十分强大。ABAQUS可以利用种类繁多的单元库和资料库对任意实际形状和不同实际工程材料进行建模，并分析其性能，采用单元库和材料库可以对各种固体力学和结构力学体系进行建模分析，解决各种烦琐的非线性问题[4-5]。

1.2 确定悬挑钢梁模型参数

研究对象为新型悬挑双排脚手架，搭设高度为20m，立杆采用单立管。立杆的纵距为1.50m，立杆的横距为0.90m，内排架距离结构为0.30m，立杆的步距为1.80m。采用的钢管规格为φ48.3mm×2.7mm，连墙件采用2步2跨，竖向间距为3.60m，水平间距为3.00m。施工活荷载为3.0kN/m2，同时考虑2层施工。脚手板采用冲压钢板，荷载为0.30kN/m2，按照铺设3层计算。安全网采用钢板网荷载取0.072kN/m2。

直角钢梁模型与阳角钢梁模型如图1所示。新型花篮式悬挑脚手架体系中悬挑梁采用16#工字钢梁，截面高度为160mm，腹板为6mm，翼缘板厚为10mm，悬臂长度为3m。螺栓直径为24mm贯通到混凝土梁内，钢梁上侧左右设置2根螺栓，下侧中央设置一根螺栓，螺栓通过钢垫板连接，不考虑螺栓的预紧力。螺栓与混凝土为绑定连接，螺栓与垫板，垫板与混凝土均为罚函数摩擦接触且允许接触后脱开[6-7]。钢材质量密度为7800kg/m3，弹性模量为206GPa，泊松比0.3。混凝土梁厚度为200mm，密度为2400kg/m3，泊松比0.17，弹性模量为30GPa。混凝土与钢材均为弹塑性材料，为提高数值模拟结果的准确性，受力分析时混凝土和钢都采用理想弹塑性本构模型，理想弹塑性材料，材料达到屈服后应力不再增加，没有产生塑性硬化。采用理想弹塑性模型既能简化混凝土及钢材的本构关系，提高计算机的计算效率，又能考虑材料的塑性部分，避免将其考虑为弹性体，使数值仿真结果失真。

图1 ABAQUS三维模型

悬挑式脚手架上部架体结构复杂且不是该研究的关注重点，因此在建模中省略，架体的自重经过换算后施加在钢梁上。除脚手架架体自重荷载外，作用于悬挑钢梁上的荷载还包括安全网自重荷载和施工活荷载。将脚手架架体自重荷载、安全网自重荷载及施工活荷载换算为作用在悬挑钢梁上的荷载，荷载值为15kN。

2 ABAQUS计算结果及分析

采用ABAQUS对数值进行模拟，可以得到花篮式脚手架悬挑钢梁体系细致的内力情况，对悬挑钢梁和安装螺栓的应力云图进行分析，可以判断钢梁在荷载作用下是否处于安全范围，并能分析相关结构件的应力分布特点和变形特点。

2.1 悬挑钢梁应力与变形分析

在15kN荷载作用下，钢梁上应力集中在斜拉杆安装位置和荷载作用位置，端板在上下螺栓位置也有应力集中的情况，如图2和图3所示。直角钢梁上最大应力为52.9MPa，在两根立杆的安装位置（施加荷载的位置），直角钢梁上的应力分别为19.9MPa和14.2MPa，远离墙体处的立杆造成的应力更小；阳角钢梁上的最大应力为32.9MPa，在两根立杆的安装位置的应力分别为31.9MPa和18.1MPa，远离墙体处的立杆造成的应力也更小。直角钢梁与阳角钢梁上的最大应力值均小于Q235钢材的屈服强度235MPa。因为阳角钢梁安装2根斜拉杆，所以承载能力大于单拉杆钢梁，钢梁上的应力小于单拉杆钢梁。

图2 直角钢梁应力云图

图3 阳角钢梁应力云图

除钢梁上的应力外，钢梁的竖向位移也是重点。此时直角钢梁末端的竖向位移为0.66mm，阳角钢梁末端的竖向位移为0.51mm。与直角钢梁工况相比，相同大小荷载作用下阳角钢梁末端的竖向位移更小，说明斜拉杆对钢梁竖向位移具有良好的约束效果，设置更多斜拉杆可以有效减少钢梁弯曲下挠。

直角钢梁上两根立杆的安装位置分别距离建筑物墙面0.3m和1.2m，直角钢梁在两个位置的竖向位移分别为0.18mm和0.62mm；阳角钢梁上两根立杆安装位置的竖向位移分别为0.17mm和0.45mm。2根立杆的不均匀竖向位移会使脚手架架体远离建筑物，向墙体方向倾斜，直角钢梁上立杆倾斜与水平面夹角为0.028°，阳角钢梁为0.018°。如果脚手架的架设高度为20m，则顶部的水平方向位移为1cm。脚手架架体的架设高度较高，需要关注在高度方向上，位移量的放大效应。

2.2 细部端板应力分析

端板细部的应力云图如图4和图5所示，从云图中可以看出，因为直角钢梁端板与阳角钢梁端板的形状存在差异，所以应力集中的位置不同。直角钢梁端板应力集中在上下螺栓孔位置，在上部螺栓孔内侧斜下方有一处区域应力集中显著，下部螺栓孔上方有一处矩形区域出现应力集中现象，应力最大值为24.9MPa，阳角钢梁端板应力集中发生在螺栓孔附近和端板的下沿，应力最大值为26.9MPa。阳角钢梁端板的应力要略大于直角钢梁端板的应力，可能是阳角钢梁端板形状复杂、端板中心为直角形状造成的结果。

图4 直角钢梁端板应力云图

图5 阳角钢梁端板应力云图

在15kN荷载作用下，直角钢梁端板材料强度利用率为12.1%，阳角钢梁端板材料强度利用率为13.1%，在实际工程中的悬挑脚手架破坏大多数为失稳破坏，而悬挑钢梁屈服破坏较少。

2.3 钢梁安装螺栓应力分析

安装悬挑脚手架的螺栓是悬挑体系中的薄弱环节，需要研究受力特点。直角钢梁与阳角钢梁的安装螺栓应力云图如图6和图7所示。直角钢梁安装螺栓上的最大应力为41.1MPa，最大应力出现在螺栓与钢梁端板接触的位置，直角钢梁安装螺栓最大应变为199.5με；安装螺栓的变形集中在螺帽及螺帽与螺杆连接处附近。阳角钢梁安装螺栓上的最大应力为17.2MPa，最大应力出现在螺栓与混凝土安装孔外侧接触面，阳角钢梁安装螺栓最大应变为83.5με；安装螺栓的变形主要发生在螺杆与螺帽连接处附近。两种安装螺栓应力集中位置及变形特点均有些差异，主要原因是直角钢梁与阳角钢梁端板形状不同以及螺栓布置的位置和数量不同。安装螺栓采用8.8级高强螺栓，屈服强度设计值为640MPa，在荷载作用下螺栓应力值较小，螺栓强度有较大冗余。

图6 直角钢梁安装螺栓应力云图

图7 阳角钢梁安装螺栓应力云图

3 结论

通过ABAQUS软件对悬挑脚手架钢梁模型数值进行仿真，可以得到以下结论：1）通过数值仿真分析，可以看出在施工荷载作用下，应力集中发生在悬挑钢梁端板附近和拉杆安装位置，直角钢梁上最大应力为52.9MPa，阳角钢梁上的最大应力为32.9MPa，结构的应力未到钢材的承载能力极限。2）悬挑钢梁的端板处的应力主要集中在螺栓孔处。直角钢梁端板在螺栓孔内侧出现应力集中现象，下部螺栓孔上方有一矩形区域也出现应力集中的情况，应力最大值为24.9MPa；阳角钢梁端板应力集中发生在端板下方直角处，应力最大值为25.3MPa。在15kN荷载下，端板处于安全状态。安装螺栓上的最大应力值为41.1MPa，有足够的安全冗余。