附着式升降脚手架脚手板的力学性能研究

曾淑琴

(广东志特新材料集团有限公司,广东 中山 528437)

附着式升降脚手架是一种新型的外墙脚手架操作平台,俗称“爬架”或“智能升降平台”。附着式升降脚手架相比于传统脚手架,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[1-2]。全钢附着式升降脚手架作为一种新型产品,将高处作业变为低处作业,将悬空作业变为架体内部作业,具有显著的经济性、安全性、便捷性、低碳性等优点,逐渐成为了脚手架市场的主体产品[3-5]。

全钢附着式升降脚手架主要由立杆、导轨、附墙支座、安全立网、水平支承结构、脚手板、提升机构、同步控制装置等组成。脚手板是全钢附着式升降脚手架主要组成部分之一,施工人员可在其上行走、工作,可以放置工作所需的工具、材料[3]372。

目前市面上的脚手板的结构形式主要有角钢边框型和矩形管边框型两种形式。不同结构形式的脚手板会有不同的力学性能;同时由于脚手板往往有多重不同的规格和排布,在脚手板与脚手板连接处变形最大,结构形式的不同引起的变形也不同。目前各厂家多根据经济性角度及经验来选择项目用何种脚手板,尚未有文献针对两种脚手板的差别作对比分析。

本文通过有限元软件ANSYS对这两种类型的脚手板及装有这两种脚手板的附着式升降脚手架进行了静力学分析,从竖向荷载引起的最大变形和抵抗风荷载的强度两个方面进行了对比研究,给出了这两种类型脚手板的差别,给工程实际应用作参考。

1 脚手板对接位置变形研究

1.1 两种脚手板介绍

脚手板结构图见图1。脚手板构件参数表见表1。

1.2 有限元计算模型

所选取的计算模型为长度为2 m的2块脚手板中间采用螺栓连接而成(见图2)。模型中杆件采用Beam188[6]单元,脚手板面板采用Shell181[6]11单元进行模拟,架体构件均采用Q235-B钢材,容许应力为205 MPa[7],材料参数参见表2,架体材料截面尺寸见表1[8]。

表1 脚手板构件参数表

表2 模型材料参数

1.3 边界条件

爬架的立杆间距为2 m,立杆与在每块脚手板的纵向边框正中间连接,研究对象为正中间螺栓连接位置的变形。螺栓连接位置采用刚性耦合ux,uy,uz三个移动自由度,脚手板与立杆的连接位置约束三个移动自由度,为了不受两边悬臂段的影响,将两端头四个角点也约束三个移动自由度。两边装有连接板时,脚手板纵向边框可看成是连续梁,可将断开处两边的脚手板边框节点耦合6个自由度模拟。根据JGJ 202—2010建筑施工工具式脚手架安全技术规范[10],活荷载标准值取3 kN/m2,这里只研究变形,故加载时施加活荷载标准值。

1.4 变形结果

角钢脚手板变形见图3,矩管脚手板变形见图4。

脚手板变形结果汇总见表3。

1.5 变形结果分析

在脚手板侧边同样装有连接板或未装连接板情况下,矩管脚手板变形均明显比角钢脚手板小;在脚手板连接处加装连接板,可显著减小脚手板向下的变形。

角钢脚手板侧边装有连接板时变形和矩管走道板侧边未装有连接板时十分接近。且此时变形较小,建议实际项目若采用矩管脚手板,可视需要考虑是否加装侧面连接板,角钢脚手板变形略大,建议侧面加装连接板。

最大变形位置在脚手板面板处,根据JGJ 202—2010建筑施工工具式脚手架安全技术规范[10]16的要求,跨度为2 m,脚手板的容许变形为[ΔL]={2 000/150,10}=10 mm,以上计算中的4种情况的变形均符合JGJ 202—2010建筑施工工具式脚手架安全技术规范要求。

2 脚手板承载能力性能研究

2.1 有限元模型

风荷载作用在爬架的安全立网上,立网与爬架的立杆相连,会将荷载直接传递到立杆上,立杆再将荷载传递至脚手板,为了更真实地得到脚手板的承载能力性能,本节建模了爬架整体三维模型来计算(见图5),由于不关注变形,脚手板在断开处按照连续构件来处理,连接处的两根横向边框当横肋来处理。

所取附着式升降脚手架每榀外排高度13.5 m,内排高度12 m,架体宽度0.6 m,水平机位跨度取3个跨度,共18 m。使用有限元软件ANSYS进行建模分析,模型中杆件采用Beam188[6]7单元,脚手板面板采用Shell181[6]11单元进行模拟,防护网的自重和风荷载均施加到外立杆上,未建模防护网,螺栓连接采用理想刚接模拟,架体构件均采用Q235-B钢材,容许应力为205 MPa[7]10,材料参数参见表4,架体材料截面尺寸见表5[8]47。

表4 模型材料参数

表5 附着式升降脚手架构件尺寸表

2.2 边界条件

附着式升降脚手架在使用工程中主要存在两种工况,即提升工况与使用工况,使用工况风荷载大,脚手板受力更恶劣,故本节只计算使用工况。使用工况每个机位安装有3道附墙支座,其中上面两道附墙支座仅做水平约束(x向,z向约束),最下面一道附墙支座作卸荷约束(y向约束)。

按照JGJ 202—2010建筑施工工具式脚手架安全技术规范计算需要考虑以下两种荷载组合:1)恒荷载+施工活荷载;2)恒荷载+0.9(施工活荷载+风荷载),从实际计算来看,风荷载为主要影响因素,故本文仅校核有风荷载组合的情况,仅考虑防护网迎风面承受风荷载情况。强度校核的荷载组合按如下公式:

S=1.3×(1.2SGk+0.9×1.4SQk)(↓)+0.9×1.4Swk(→)

(1)

其中,SGk为恒荷载标准值;SQk为使用工况活荷载标准值;Swk为建筑物所在地十年一遇风荷载标准值;(↓)为竖向荷载;(→)为水平荷载。

根据JGJ 202—2010建筑施工工具式脚手架安全技术规范[10]13,风荷载标准值采用式(2)计算:

Wk=βz·μz·μs·w0

(2)

其中,Wk为风荷载标准值,kN/m2;βz为风阵系数,此处取1.0;μz为风压高度变化系数,按照GB 50009—2012建筑结构荷载规范[11]确定,此处按B类地貌100 m楼高取值2.0;μs为脚手架防护网体型系数,按JGJ 202建筑施工工具式脚手架安全技术规范给的计算和取值方式取1.04(挡风系数取0.8,建筑物类型为四面透风类型);w0为基本风压,使用工况取建筑物所在地十年一遇基本风压,此处取0.45 kN/m2。

经计算使用工况:

Wk=βz·μz·μs·w0=0.936 kN/m2。

采用ANSYS有限元软件中的Acel命令对模型施加重力加速度来模拟自重荷载,考虑到实际施工中,人员多在顶层作业,因此活荷载在ANSYS中以均布节点力的形式施加到顶上两层脚手板的节点上。风荷载直接作用到防护网片上,防护网与立杆直接连接,风荷载通过防护网传递至外排立杆上,故模型中未建模防护网,将风荷载直接施加到外排立杆上。对架体而言,由于不考虑防护网对结构的加强作用,计算更偏保守。

2.3 应力结果

矩管脚手板应力结果见图6,角钢脚手板应力结果见图7,角钢脚手板边框应力详图见图8,脚手板变形结果汇总见表6。

表6 脚手板变形结果汇总

2.4 应力结果分析

脚手板的最大应力在其纵向边框上,同样荷载条件下,矩管脚手板强度明显比角钢脚手板小。在文中的计算条件下,角钢脚手板和矩管脚手板的最大应力均小于205 MPa,符合JGJ 202—2010建筑施工工具式脚手架安全技术规范[10]43要求。

从角钢脚手板边框应力详图可以看到,脚手板的边框应力最大处向脚手板中心内凹,很明显存在侧向弯矩,主要原因风荷载使脚手板水平方向产生变形,同时在导轨约束处形成侧弯。角钢的抗侧弯截面系数很低,因而导致角钢脚手板边框应力大。对比而言矩形抗侧弯性能明显优于角钢,因而计算得到的应力显著比角钢脚手板的小。故在风荷载标准值大于本文计算值的场合,不建议采用角钢边框脚手板。

3 结语

利用有限元软件ANSYS对附着式脚手架的4种脚手板模型和2种整体模型进行了静力计算,得到了变形结果和强度结果,主要结论如下:

1)角钢脚手板变形明显比矩管脚手板大,脚手板连接处加连接板可显著减小变形。

2)角钢脚手板、矩管脚手板有连接板或无连接板最大变形均符合JGJ 202—2010建筑施工工具式脚手架安全技术规范要求。

3)角钢脚手板应力明显比矩管脚手板大,主要原因是角钢的抗侧弯性能比矩管低,故在风荷载标准值大于文中计算值时,不建议采用角钢边框脚手板。