鋁合金附著式升降腳手架承力構(gòu)件剛性及穩(wěn)定性

劉亞雄, 黃 瑞, 王天鑫, 強(qiáng)科雄, 王 博

(甘肅第六建設(shè)集團(tuán)股份有限公司,蘭州 730030, E-mail: 1039116432@qq.com)

附著式升降腳手架是用于高層及超高層建筑施工的輔助工具,其具有防止傾翻、防止墜落的功能。與傳統(tǒng)腳手架相比,附著式升降腳手架可利用自身動(dòng)力設(shè)備實(shí)現(xiàn)逐層爬升,在提升設(shè)備自身機(jī)動(dòng)性的同時(shí),還極大的節(jié)省了人力成本,提升了材料的周轉(zhuǎn)率[1-5]。

目前市面上使用的附著式升降腳手架主體大多為鋼構(gòu)件,國(guó)內(nèi)學(xué)者在其力學(xué)性能方面開展了大量的研究[6-9]。西安建筑科技大學(xué)韋東等[10]的研究發(fā)現(xiàn)上升和下降工況下架體實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力值相差較大。中鐵城建集團(tuán)劉光明等[11]對(duì)附著式升降腳手架的靜力性能進(jìn)行了有限元分析,發(fā)現(xiàn)風(fēng)載荷對(duì)架體結(jié)構(gòu)的變形有顯著影響。合肥工業(yè)大學(xué)朱耀冉[12]對(duì)斜拉式附著腳手架的受力性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析,發(fā)現(xiàn)架體的最大應(yīng)力均在Q235的屈服強(qiáng)度的50%以下。同濟(jì)大學(xué)岳峰[13]對(duì)腳手架的阻力系數(shù)進(jìn)行了研究,并對(duì)其工程應(yīng)用提出了改進(jìn)建議。綜上可知,當(dāng)前針對(duì)附著式升降腳手架的研究主要針對(duì)鋼構(gòu)件架體結(jié)構(gòu)。

隨著鋁合金加工技術(shù)的快速發(fā)展,鋁合金材料的應(yīng)用也愈加廣泛,在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用也越來越多[14]。由于鋁合金材料的密度僅為鋼材的三分之一左右,在附著式升降腳手架構(gòu)件中使用鋁合金材料可以極大的降低結(jié)構(gòu)的重量,進(jìn)而提升腳手架的升降效率,降低能耗[15]。本文采用6061-T6鋁合金制造附著式升降腳手架的主要承力構(gòu)件,并通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)其剛性與穩(wěn)定性進(jìn)行研究,探明鋁合金構(gòu)件的承載極限,為鋁合金附著式升降腳手架的工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)方案

本文研究對(duì)象為附著式升降腳手架的立桿和導(dǎo)軌,構(gòu)件的截面尺寸如圖1和圖2所示,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)用立桿試驗(yàn)件長(zhǎng)度為2.4 m,導(dǎo)軌試驗(yàn)件長(zhǎng)度為1.75 m。

圖2 導(dǎo)軌截面尺寸

1.1 有限元建模

采用商用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行立桿及導(dǎo)軌的穩(wěn)定性分析,材料為6061-T6鋁合金,材料參數(shù)見表1。

表1 仿真用材料參數(shù)

進(jìn)行失穩(wěn)分析時(shí)考慮立桿及導(dǎo)軌的使用場(chǎng)景,只求解一階失穩(wěn)極限壓力,并采用C3D10R單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,立桿及導(dǎo)軌網(wǎng)格模型分別如圖3和圖4所示。

圖3 立桿部分網(wǎng)格模型

圖4 導(dǎo)軌部分網(wǎng)格模型

1.2 工藝試驗(yàn)方法

利用固定座、固定掛座及連接板將立桿或者導(dǎo)軌上端固定在試驗(yàn)載體之上,另一端連接在固定掛座及連接板之上,在固定掛座下側(cè)通過2根M30螺栓安裝托板,再在固定掛座與托板之間安裝固定座,將千斤頂及壓力傳感器放置在固定座及托板之間,當(dāng)千斤頂工作時(shí)即可產(chǎn)生向下的拉力。立桿與導(dǎo)軌拉伸試驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 立桿及導(dǎo)軌拉伸實(shí)驗(yàn)裝置

2 結(jié)果分析

2.1 立桿與導(dǎo)軌軸向載荷值計(jì)算

立桿采用80 mm×40 mm×4.0 mm×3.0 m鋁合金矩形管,立桿縱向距離最大為2.0 m,橫向距離為0.65 m,步距為2.0 m。立桿的永久載荷設(shè)計(jì)值Sk可表示為:

SK=γG×Gkw=1.3×8.89=11.55 kN

(1)

式中:γG表示恒載荷分項(xiàng)系數(shù);Gkw表示外側(cè)永久載荷標(biāo)準(zhǔn)值。

施工載荷設(shè)計(jì)值SQ可表示為:

SQ=γQ×Gk/2=1.5×23.04/2=17.28 kN

(2)

式中:γQ表示活載荷分項(xiàng)系數(shù);Gk表示永久載荷標(biāo)準(zhǔn)值。

則單個(gè)立桿承受的載荷值N可表示為:

N=(SK+SQ)/3=(11.55+17.28)/3=9.61 kN

(3)

同理,可得導(dǎo)軌軸向載荷為47.7 kN。

2.2 立桿與導(dǎo)軌失穩(wěn)仿真

立桿穩(wěn)定性仿真計(jì)算結(jié)果如圖6所示,分析仿真結(jié)果可得立桿的失穩(wěn)臨界軸向壓力為14.7 kN,由2.1的計(jì)算結(jié)果可知立桿在工作過程中承受的最大載荷為9.61 kN,遠(yuǎn)小于立桿的失穩(wěn)臨界壓力。

圖6 立桿失穩(wěn)仿真結(jié)果

導(dǎo)軌穩(wěn)定性仿真計(jì)算結(jié)果如圖7所示,分析仿真結(jié)果可得立桿的失穩(wěn)臨界軸向壓力為57.2 kN,由2.1的計(jì)算結(jié)果可知導(dǎo)軌在工作過程中承受的最大載荷為47.7 kN,遠(yuǎn)小于導(dǎo)軌的失穩(wěn)臨界壓力。

圖7 導(dǎo)軌失穩(wěn)仿真結(jié)果

2.3 立桿與導(dǎo)軌拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

立桿拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示,從圖中可以看出立桿上下兩個(gè)距離端部300 mm位置的應(yīng)力值在整個(gè)拉伸過程中基本相等,而立桿中心部位的應(yīng)力值與兩個(gè)端部相比偏小。分析應(yīng)力值可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)立桿承受的拉力達(dá)到最大值80 kN時(shí),立桿端部的最大應(yīng)力值僅維持在110 MPa左右,遠(yuǎn)低于6061-T6鋁合金材料的屈服強(qiáng)度。同時(shí),分析承受拉力的螺栓孔變形發(fā)現(xiàn),在整個(gè)加載過程中螺栓孔均未出現(xiàn)變形。上述分析結(jié)果說明采用6061-T6鋁合金制造的立桿結(jié)構(gòu)可以滿足使用要求。

圖8 立桿拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

導(dǎo)軌拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示,可以看出導(dǎo)軌上三個(gè)測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)力值在整個(gè)加載過程中基本相等,而當(dāng)加載力超過85 kN時(shí),導(dǎo)軌距下端300 mm位置處的應(yīng)力值與其他兩個(gè)位置相比偏小。分析應(yīng)力值可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)導(dǎo)軌承受的拉力達(dá)到最大值120 kN時(shí),導(dǎo)軌端部的最大應(yīng)力值僅維持在50 MPa左右,遠(yuǎn)低于6061-T6鋁合金材料的屈服強(qiáng)度。同時(shí),分析承受拉力的螺栓孔變形發(fā)現(xiàn),在整個(gè)加載過程中螺栓孔的最大變形僅為0.3 mm。上述分析結(jié)果說明采用6061-T6鋁合金制造的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)可以滿足使用要求。

圖9 導(dǎo)軌拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)束語

本文對(duì)6061-T6鋁合金材質(zhì)附著式升降腳手架的立桿和導(dǎo)軌的剛度與穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)研究,結(jié)果表明立桿和導(dǎo)軌的極限失穩(wěn)壓力遠(yuǎn)大于其在工作過程中所承受的軸向壓力。此外,現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)結(jié)果表明在拉伸加載過程中,立桿和導(dǎo)軌上的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于6061-T6鋁合金的屈服強(qiáng)度。結(jié)果表明,采用6061-T6鋁合金制造附著式升降腳手架的立桿和導(dǎo)軌是可行的。