滿堂扣件式腳手架在不同剪刀撐下的有限元分析

何夕平，李 洋，何三軍，計(jì)洋海，陳 燕，邵傳林

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.中國(guó)十七冶集團(tuán)有限公司，安徽 馬鞍山 243001)

?

滿堂扣件式腳手架在不同剪刀撐下的有限元分析

何夕平1，李 洋1，何三軍2，計(jì)洋海1，陳 燕1，邵傳林2

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.中國(guó)十七冶集團(tuán)有限公司，安徽 馬鞍山 243001)

剪刀撐能夠提高滿堂扣件式腳手架的整體穩(wěn)定性，加強(qiáng)腳手架縱橫桿、立桿等部位的連接，在傳遞荷載等方面發(fā)揮著重要的作用。通過MIDAS/GEN有限元分析軟件建立3×3跨的滿堂式扣件腳手架模型，模擬在不同的剪刀撐設(shè)置情況下及相同荷載作用下，研究腳手架立桿應(yīng)力及架體位移的變化規(guī)律。其結(jié)果可作為研究滿堂扣件式腳手架應(yīng)力傳遞以及腳手架實(shí)際工程中水平、斜向剪刀撐設(shè)置等方面提供相應(yīng)的借鑒和參考。

滿堂扣件式腳手架；剪刀撐；應(yīng)力；位移；剛性模型

扣件式鋼管腳手架作為澆筑混凝土模板支撐體系在工程中普遍使用，它具有運(yùn)輸快捷、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。但由于扣件式鋼管腳手架搭設(shè)是人工操作，其整體穩(wěn)定性受到人為因素影響比較大，在實(shí)際工程中引起的安全事故也較多。鑒于施工安全事故頻發(fā)，政府對(duì)于建筑安全研究越來(lái)越重視，相關(guān)機(jī)構(gòu)和科研人員針對(duì)不同的腳手架進(jìn)行模擬試驗(yàn)，并通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行模擬研究，取得了很多成果。陸征然、陳志華等利用ANSYS分析軟件研究了腳手架在施加不同荷載下的應(yīng)力變化情況[1-3]，并根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果與現(xiàn)行規(guī)范《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》模板支架的計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比，指出規(guī)范中的一些不足并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。熬鴻斐、李國(guó)強(qiáng)等對(duì)于雙排式鋼管腳手架極限承載力進(jìn)行分析，并取得了一系列的成果[4]。雙排腳手架水平方向設(shè)有連墻桿和攬風(fēng)繩，其整體穩(wěn)定性有所提高，其相關(guān)理論研究可以為滿堂扣件式鋼管腳手架研究提供相應(yīng)的參考。滿堂腳手架由于跨度長(zhǎng)、高度大等特點(diǎn)，其整體穩(wěn)定性比雙排腳手架差，在大面積、大跨度的滿堂腳手架工程中，腳手架安全性應(yīng)引起足夠的重視。

本文在《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》的基礎(chǔ)上[5]，運(yùn)用MIDAS/GEN 結(jié)構(gòu)分析軟件建立5個(gè)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)架體相類似的模型，研究5種不同架體(剪刀撐位置不同)在相同荷載下的應(yīng)力分布及位移變化規(guī)律。本文研究結(jié)果可以為滿堂扣件式鋼管腳手架的內(nèi)力傳遞規(guī)律以及實(shí)際工程中剪刀撐設(shè)置等研究提供參考。

1 腳手架分析模型建立

1.1 模型概況

滿堂扣件式鋼管腳手架在縱橫方向是由不少于3排的立桿構(gòu)成，并與水平桿、掃地桿、斜撐等構(gòu)件通過扣件連接形成的承力支架。大面積滿堂扣件鋼管腳手架桿件應(yīng)力傳遞、變化規(guī)律較為復(fù)雜，且不便于分析。本文只考慮3×3跨的滿堂腳手架體系，在此基礎(chǔ)上研究其應(yīng)力、位移的變化規(guī)律。架體立桿間距為0.95 m×0.95 m，步距為1.25 m，掃地桿的高度為0.05 m，架體總高為3.8 m，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。第1層平面如圖2所示。為研究剪刀撐拆除對(duì)于架體內(nèi)力、位移的影響，剪刀撐一共設(shè)置四根：豎直方向設(shè)置兩個(gè)斜向剪刀撐，分別布置在架體的內(nèi)部(見圖3、圖4)；水平剪刀撐考慮交叉布置可能導(dǎo)致某一層剛度較大，實(shí)際模型分別在架體的第二層、第三層各設(shè)置一根(見圖5、圖6)。為研究剪刀撐對(duì)于滿堂腳手架應(yīng)力及位移變化的影響，每次荷載加壓完畢后，拆除1個(gè)剪刀撐，在有限元結(jié)構(gòu)分析軟件幫助下，觀察架體立柱每根鋼管的應(yīng)力變化并進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)模擬架體在豎向荷載作用下各節(jié)點(diǎn)沿x、y、z方向的位移變化。該試驗(yàn)為豎向荷載試驗(yàn)，不考慮水平荷載和風(fēng)荷載，不設(shè)置側(cè)向支撐。16根立桿具體編號(hào)規(guī)則如下：上面第一排從左到右依次為1#、2#、3#、4#，第二排5#、6#、7#、8#，第三排、第四排以此類推，1#、2#斜撐的布置如圖3、圖4所示，架體其余尺寸如圖2～圖7所示(粗色線表示剪刀撐)。

圖1 結(jié)構(gòu)模型

圖2 第1層平面圖(單位：mm)

圖3 1-1剖面圖(2#斜撐)(單位：mm)

圖4 2-2剖面圖(1#斜撐)(單位：mm)

1.2 模型建立

模型鋼管截面采用?48.3×3.6，材質(zhì)選用Q235,彈性模量Es取2.06×105MPa。架體頂部設(shè)有橫向的木方，木方尺寸為68 mm×80 mm，材質(zhì)為松木，具體參數(shù)可參考相應(yīng)的《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]。頂部荷載采用單向板傳力方式，荷載通過單向板→木方→水平桿→鋼管立柱路徑傳給地面。

圖5 第2層平面圖(單位：mm)

圖6 第3層平面圖(單位：mm)

圖7 頂層平面圖(單位：mm)

本文采用MIDAS/GEN分析軟件建模[7～9]，水平縱橫桿、立桿交界處豎直方向錯(cuò)開0.05 m，扣件連接處采用剛性連接。

2 模型分析計(jì)算

結(jié)構(gòu)模型按照拆除腳手架的順序情況共分為完整架體(簡(jiǎn)稱完架)、拆除3層水平剪刀撐(簡(jiǎn)稱拆一水)、拆除1#斜撐(簡(jiǎn)稱拆一斜)、拆除二層水平剪刀撐(簡(jiǎn)稱拆二水)、拆除2#斜撐(簡(jiǎn)稱拆二斜)共5種工況。頂部荷載分別從2 kN/m2到15 kN/m2(每級(jí)增加1 kN/m2)進(jìn)行加載，模型試驗(yàn)的順序分別為：完架、拆一水、拆一斜、拆二水、拆二斜，每次只拆除1根水平剪刀撐或斜向剪刀撐。

2.1 應(yīng)力變化

圖8～圖12顯示了架體在荷載達(dá)到15 kN/m2時(shí)，不同剪刀撐條件下各架體桿件的應(yīng)力分布。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及應(yīng)力分布圖不難發(fā)現(xiàn)，在荷載加載到最大值時(shí)，架體內(nèi)部的4根立桿(6#、7#、10#、11#)軸向應(yīng)力較大，外圍立桿的軸向應(yīng)力較小，4根角部立桿(1#、4#、13#、16#)應(yīng)力最小，說(shuō)明架體內(nèi)部立桿承受較大的荷載，外圍立桿承受的荷載較小?？紤]內(nèi)部立桿應(yīng)力的增減直接影響整個(gè)架體的穩(wěn)定性，為研究不同剪刀撐對(duì)架體應(yīng)力、位移變化的影響，本文試驗(yàn)將中間四根立桿(6#、7#、10#、11#)的應(yīng)力值設(shè)為參考值，觀察不同剪刀撐條件下立桿應(yīng)力變化規(guī)律。架體中間立桿(底部)的應(yīng)力數(shù)值如表1所示。

圖8 完架條件下的桿件應(yīng)力分布

圖9 拆一水條件下的桿件應(yīng)力分布

圖10 拆一斜條件下的桿件應(yīng)力分布

圖11 拆二水條件下的桿件應(yīng)力分布

圖12 拆二斜條件下的桿件應(yīng)力分布

比較圖8、圖9 后發(fā)現(xiàn)，荷載達(dá)到15 kN/m2時(shí)，完整架體第三層水平剪刀撐的3段中間一段承受壓應(yīng)力，說(shuō)明剪刀撐承擔(dān)一部分應(yīng)力，剪刀撐的設(shè)置提高了架體三層桿件的整體穩(wěn)定性。水平剪刀撐拆除以后，架體各桿件在同等荷載作用下，內(nèi)部立桿應(yīng)力在減少約束的情況下，3層的各水平桿應(yīng)力有所降低，說(shuō)明剪刀撐的設(shè)置可以增大該層各桿件的應(yīng)力值。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，荷載達(dá)到15 kN/m2時(shí)，此時(shí)拆除第三層水平剪刀撐后，各桿件應(yīng)力變化不一，具體表現(xiàn)為：6#、11#立桿底部應(yīng)力減小，7#、10#立桿應(yīng)力增大，說(shuō)明完整架體在拆除第三層水平剪刀撐后，6#、11#立柱在水平方向上減少1道約束，此時(shí)一部分荷載由于剪刀撐拆除，通過架體傳遞給7#、10#立柱， 7#、10#立桿由于應(yīng)力重新分配得到一部分壓應(yīng)力。

表1 架體立桿(底部)應(yīng)力值 Pa

圖9、圖10以及表1說(shuō)明1#斜撐的拆除對(duì)于整個(gè)架體受力影響較小，架體立桿底部的應(yīng)力大小基本保持不變，1#斜撐對(duì)于減少架體立桿應(yīng)力的傳遞并不起“阻礙”作用。

圖10、圖11顯示第二層水平剪刀撐拆除后架體各桿件的應(yīng)力圖，7#、10#立桿在剪刀撐拆除后應(yīng)力有所降低，而減小的荷載則由6#、11#立桿承擔(dān)，說(shuō)明水平剪刀撐的拆除會(huì)降低相鄰立柱(7#、10#)應(yīng)力，同時(shí)會(huì)增大周圍立柱(6#、7#)應(yīng)力。這個(gè)變化規(guī)律與圖8、圖9中的應(yīng)力變化相似。圖11、圖12中的模型立桿應(yīng)力并沒有發(fā)生變化，說(shuō)明2#斜撐對(duì)于架體內(nèi)力的影響較小。縱觀圖8～圖12和表1，水平剪刀撐的拆除會(huì)影響桿件應(yīng)力的分布，斜撐的拆除不會(huì)影響立柱底部應(yīng)力變化；綜合圖8～圖12，雖然架體增加水平剪刀撐和斜撐，但架體立桿下部應(yīng)力同時(shí)增大，說(shuō)明剪刀撐的設(shè)置會(huì)增大鋼管內(nèi)部立桿的應(yīng)力，實(shí)際工程中，并不是剪刀撐設(shè)置得越多越好。

2.2 位移變化

位移對(duì)架體的影響不可忽略，本文綜合考慮扣件各節(jié)點(diǎn)位移對(duì)于架體的影響，觀察節(jié)點(diǎn)處3個(gè)方向(x、y、z)位移變化對(duì)于滿堂架體的影響。由于各桿件每一點(diǎn)位移都不一樣，架體頂層位移較大，故本文采用頂層節(jié)點(diǎn)位移作為參考值，節(jié)點(diǎn)位移主要分為3個(gè)方向，即x、y、z方向(整體坐標(biāo)系)，節(jié)點(diǎn)處的3個(gè)數(shù)值分別體現(xiàn)3個(gè)方向上的具體位移。荷載達(dá)到最大值(15 kN/m2)架體各節(jié)點(diǎn)的位移值如圖13～圖17所示。

圖13 完架條件下的節(jié)點(diǎn)位移

圖14 拆一水條件下的節(jié)點(diǎn)位移

圖15 拆一斜條件下的節(jié)點(diǎn)位移

圖16 拆二水條件下的節(jié)點(diǎn)位移

圖17 拆二斜條件下的節(jié)點(diǎn)位移

架體頂層水平x、y、z方向的位移如表2～表4所示。由表2～表4和圖13～圖17發(fā)現(xiàn)：水平剪刀撐設(shè)置對(duì)于架體的頂層位移影響較小。完整架體三層水平剪刀撐連接1#、16#立柱，第一次拆除水平剪刀撐以后，架體的水平位移值在3個(gè)方向上基本保持不變。二層水平剪刀撐拆除后架體頂層位移也基本類似，說(shuō)明水平剪刀撐的拆除對(duì)于架體頂層的位移影響較小。與此同時(shí)，在拆除1#斜撐后，架體頂層x、y方向的位移也相應(yīng)變大，其中x方向的最大位移數(shù)值變化較大，局部達(dá)到0.021 mm，說(shuō)明1#斜撐對(duì)于架體頂層水平方向的位移影響顯著。2#斜撐拆除后，架體頂層水平位移也相應(yīng)發(fā)生變化，表3說(shuō)明架體在拆除2#斜撐后，在y方向的位移變化較大，局部達(dá)到0.023 mm，這說(shuō)明2#斜撐對(duì)于限制架體頂層y方向的位移作用明顯。

表2～表4還表明架體的頂層節(jié)點(diǎn)z方向有一定的位移，實(shí)際工程中應(yīng)考慮其他方法進(jìn)行控制。z方向的位移變化不受水平剪刀撐、斜撐的拆除而變化，說(shuō)明無(wú)論是水平剪刀撐還是斜撐，其對(duì)于架體的z方向位移變化影響較小。

3 結(jié)論與展望

本文通過3×3跨的腳手架模型，研究在不同剪刀撐條件下腳手架內(nèi)部桿件的應(yīng)力變化情況。根據(jù)相同荷載下五種不同模型的應(yīng)力變化情況，可以發(fā)現(xiàn)架體內(nèi)部6#、7#、10#、11#立桿應(yīng)力最大，2#、3#、5#、8#、9#、12#、14#、15#立桿應(yīng)力次之，1#、4#、13#、16#立桿應(yīng)力最小。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得到：

(1)拆除一根水平剪刀撐以后，與水平剪刀撐連接的中間立桿，其應(yīng)力降低，同時(shí)相鄰的立桿應(yīng)力增加。表1顯示架體拆除一根水平剪刀撐以后，與剪刀撐連接的立桿底部應(yīng)力降低0.108%，相鄰立桿應(yīng)力變化增加0.0091%，說(shuō)明水平剪刀撐在提高架體某一層的整體剛度方面發(fā)揮著重要作用。

表2 架體頂層水平x方向位移(東西方向)

表3 架體頂層水平y(tǒng)方向位移(南北方向)

續(xù)表

表4 架體頂層z方向位移(豎直方向)

(2)圖9～圖12的立桿底部應(yīng)力對(duì)比表明，豎向斜撐拆除前后，鋼管立柱應(yīng)力基本保持不變，說(shuō)明豎向斜撐的拆除對(duì)于架體內(nèi)部立桿應(yīng)力變化影響較小，可以忽略。

(3)該架體模型1#斜撐對(duì)于架體頂層x方向水平位移影響較為明顯，而2#斜撐對(duì)于架體頂層y方向水平位移影響較為明顯。

(4)表2～表4可以說(shuō)明水平剪刀撐對(duì)于架體頂層的節(jié)點(diǎn)位移變化影響較小，除此之外，架體頂層節(jié)點(diǎn)z方向的位移也不受水平剪刀撐、斜撐的影響變化而變化。

通過不同模型的應(yīng)力及位移模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，水平剪刀撐、豎向斜撐對(duì)于提高架體的整體穩(wěn)定性等方面發(fā)揮著不可替代的作用，尤其體現(xiàn)在水平剪刀撐對(duì)于應(yīng)力傳遞、斜撐對(duì)于x、y位移限制等方面的影響。本文試驗(yàn)?zāi)M發(fā)現(xiàn)，水平剪刀撐相比較斜撐，其限制應(yīng)力、位移等方面作用較好；而斜撐對(duì)于限制頂層x、y水平方向位移作用明顯。其次，本文試驗(yàn)?zāi)M發(fā)現(xiàn)水平剪刀撐、斜撐對(duì)于架體頂層節(jié)點(diǎn)z方向位移的約束作用有限，豎向位移對(duì)于架體穩(wěn)定性影響較大，關(guān)于控制架體頂層節(jié)點(diǎn)豎向位移需要做進(jìn)一步的理論研究。實(shí)際工程可以根據(jù)不同情況設(shè)置不同的剪刀撐，最大限度地提高架體的整體穩(wěn)定性，然而本文試驗(yàn)?zāi)M只考慮3×3跨的簡(jiǎn)單架體，并沒有模擬大面積的滿堂扣件式腳手架受力過程，本文的結(jié)論和方法可以為研究大面積的滿堂腳手架剪刀撐位置設(shè)置提供相應(yīng)的借鑒和參考。

[1]陸征然，陳志華，王小盾，等.扣件式鋼管滿堂支撐體系穩(wěn)定性能的有限元分析及試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào)，2012,45(1):49-60.

[2]陸征然，扣件式鋼管滿堂支撐體系理論分析與試驗(yàn)研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2010.

[3]陳志華，陸征然，王小盾，等. 基于有側(cè)移半剛性連接框架理論的無(wú)支撐模板支架穩(wěn)定承載力分析及試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2010,31(12):57-63.

[4]敖鴻斐，李國(guó)強(qiáng).雙排扣件式鋼管腳手架極限承載力分析[J]. 建筑施工，2003，25(3)：214-217.

[5]建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范：JGJ-130-2011[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[6]木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50005-2003 [S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2003.

[7]王昌興. Midas/gen 應(yīng)用實(shí)例教程及疑難解答[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[8]北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司. Midas/gen 工程應(yīng)用指南[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[9]蔣玉川. MIDAS在結(jié)構(gòu)計(jì)算中的應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

Finite element analysis of fastener full-hall formwork scaffold in different bridging circumstances

HE Xi-ping1， LI Yang1， HE San-jun2， JI Yang-hai1，CHEN Yan1， SHAO Chuan-lin2

(1.SchoolofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity，Hefei230601，China；2.ChinaMCC17GroupCO．，LTD．，Ma’anshan243001，China)

Bridging can improve the overall stability of a bunch of the fastener full-hall formwork scaffold, it can strengthen the scaffold connection in areas such as the vertical and horizontal pole and play an important role in load transferring. In this paper, set up a 3x3 fastener full-hall formwork scaffold model by using MIDAS/GEN software to get the changing rules of stress and displacements of the scaffolding upright stanchion in different bridging circumstances and the same loads. The results can be used as a reference for studying the rules of stress transferring of the fastener full-hall formwork scaffold in practical engineering to make the correct position of the horizontal and sloping diagonal bracing.

fastener full-hall formwork scaffold; bridging; stress; displacement; rigid model

2015-07-15

安徽省教育廳高等教育振興計(jì)劃(2013zdjy121)；安徽省教育廳質(zhì)量工程項(xiàng)目(2014gxk063)；安徽省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(1501041133)

何夕平(1963-)，男，安徽無(wú)為人，碩士，教授，碩士生導(dǎo)師。

1674-7046(2015)05-0022-08

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.05.005

TU731.2

A