基于ABAQUS的花籃式懸挑腳手架受力特點(diǎn)研究

周 雷 于金金 馬克華

（1．中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100000；2．中咨海外咨詢有限公司，北京 100000）

常規(guī)落地式鋼管腳手架存在安全穩(wěn)定性較低、經(jīng)濟(jì)效益較差和搭設(shè)不便等問題，新型懸挑腳手架具有經(jīng)濟(jì)性好、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)[1]，有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。因?yàn)閼姨裟_手架避免了從地面開始架設(shè)支架，從而降低了腳手架的架設(shè)高度，進(jìn)而減少了水平風(fēng)荷載及桿件自重的影響，所以更安全穩(wěn)定。懸挑腳手架適用于不便搭設(shè)支座的工程情況，適用性更廣[2]。在很多工程施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的過程中，地面不平整、場(chǎng)地過于狹小以及材料消耗量大會(huì)導(dǎo)致無法直接在地面搭設(shè)落地式鋼管腳手架，因此，懸挑腳手架是比較合適的外架方案選擇。

因?yàn)槟_手架工程直接影響施工現(xiàn)場(chǎng)人員和建筑結(jié)構(gòu)安全，所以，懸挑腳手架結(jié)構(gòu)必須具有足夠的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性以抵抗自重荷載、風(fēng)荷載和施工活荷載。目前花籃式懸挑腳手架的研究多為施工技術(shù)方面，關(guān)于懸挑鋼梁體系的受力情況研究較少[3]。基于此，該文根據(jù)工程案例建立三維仿真模型，通過ABAQUS軟件對(duì)數(shù)值進(jìn)行仿真，研究新型懸挑腳手架結(jié)構(gòu)整體受力變形規(guī)律和連接部位強(qiáng)度，分析懸挑體系中斜拉桿和端板的受力情況。

1 懸挑鋼梁模型有限元模型

1.1 ABAQUS軟件介紹

該文用ABAQUS軟件進(jìn)行建模分析。ABAQUS有限元軟件由法國(guó)達(dá)索公司開發(fā)，該軟件采用有限元方法求解問題，廣泛適用于各種不同的工程情況。不論是簡(jiǎn)單的線性問題還是復(fù)雜的非線性問題都可以使用ABAQUS軟件建模求解，功能十分強(qiáng)大。ABAQUS可以利用種類繁多的單元庫(kù)和資料庫(kù)對(duì)任意實(shí)際形狀和不同實(shí)際工程材料進(jìn)行建模，并分析其性能，采用單元庫(kù)和材料庫(kù)可以對(duì)各種固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)體系進(jìn)行建模分析，解決各種煩瑣的非線性問題[4-5]。

1.2 確定懸挑鋼梁模型參數(shù)

研究對(duì)象為新型懸挑雙排腳手架，搭設(shè)高度為20m，立桿采用單立管。立桿的縱距為1.50m，立桿的橫距為0.90m，內(nèi)排架距離結(jié)構(gòu)為0.30m，立桿的步距為1.80m。采用的鋼管規(guī)格為φ48.3mm×2.7mm，連墻件采用2步2跨，豎向間距為3.60m，水平間距為3.00m。施工活荷載為3.0kN/m2，同時(shí)考慮2層施工。腳手板采用沖壓鋼板，荷載為0.30kN/m2，按照鋪設(shè)3層計(jì)算。安全網(wǎng)采用鋼板網(wǎng)荷載取0.072kN/m2。

直角鋼梁模型與陽角鋼梁模型如圖1所示。新型花籃式懸挑腳手架體系中懸挑梁采用16#工字鋼梁，截面高度為160mm，腹板為6mm，翼緣板厚為10mm，懸臂長(zhǎng)度為3m。螺栓直徑為24mm貫通到混凝土梁內(nèi)，鋼梁上側(cè)左右設(shè)置2根螺栓，下側(cè)中央設(shè)置一根螺栓，螺栓通過鋼墊板連接，不考慮螺栓的預(yù)緊力。螺栓與混凝土為綁定連接，螺栓與墊板，墊板與混凝土均為罰函數(shù)摩擦接觸且允許接觸后脫開[6-7]。鋼材質(zhì)量密度為7800kg/m3，彈性模量為206GPa，泊松比0.3?；炷亮汉穸葹?00mm，密度為2400kg/m3，泊松比0.17，彈性模量為30GPa?；炷僚c鋼材均為彈塑性材料，為提高數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，受力分析時(shí)混凝土和鋼都采用理想彈塑性本構(gòu)模型，理想彈塑性材料，材料達(dá)到屈服后應(yīng)力不再增加，沒有產(chǎn)生塑性硬化。采用理想彈塑性模型既能簡(jiǎn)化混凝土及鋼材的本構(gòu)關(guān)系，提高計(jì)算機(jī)的計(jì)算效率，又能考慮材料的塑性部分，避免將其考慮為彈性體，使數(shù)值仿真結(jié)果失真。

圖1 ABAQUS三維模型

懸挑式腳手架上部架體結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不是該研究的關(guān)注重點(diǎn)，因此在建模中省略，架體的自重經(jīng)過換算后施加在鋼梁上。除腳手架架體自重荷載外，作用于懸挑鋼梁上的荷載還包括安全網(wǎng)自重荷載和施工活荷載。將腳手架架體自重荷載、安全網(wǎng)自重荷載及施工活荷載換算為作用在懸挑鋼梁上的荷載，荷載值為15kN。

2 ABAQUS計(jì)算結(jié)果及分析

采用ABAQUS對(duì)數(shù)值進(jìn)行模擬，可以得到花籃式腳手架懸挑鋼梁體系細(xì)致的內(nèi)力情況，對(duì)懸挑鋼梁和安裝螺栓的應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，可以判斷鋼梁在荷載作用下是否處于安全范圍，并能分析相關(guān)結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力分布特點(diǎn)和變形特點(diǎn)。

2.1 懸挑鋼梁應(yīng)力與變形分析

在15kN荷載作用下，鋼梁上應(yīng)力集中在斜拉桿安裝位置和荷載作用位置，端板在上下螺栓位置也有應(yīng)力集中的情況，如圖2和圖3所示。直角鋼梁上最大應(yīng)力為52.9MPa，在兩根立桿的安裝位置（施加荷載的位置），直角鋼梁上的應(yīng)力分別為19.9MPa和14.2MPa，遠(yuǎn)離墻體處的立桿造成的應(yīng)力更??；陽角鋼梁上的最大應(yīng)力為32.9MPa，在兩根立桿的安裝位置的應(yīng)力分別為31.9MPa和18.1MPa，遠(yuǎn)離墻體處的立桿造成的應(yīng)力也更小。直角鋼梁與陽角鋼梁上的最大應(yīng)力值均小于Q235鋼材的屈服強(qiáng)度235MPa。因?yàn)殛柦卿摿喊惭b2根斜拉桿，所以承載能力大于單拉桿鋼梁，鋼梁上的應(yīng)力小于單拉桿鋼梁。

圖2 直角鋼梁應(yīng)力云圖

圖3 陽角鋼梁應(yīng)力云圖

除鋼梁上的應(yīng)力外，鋼梁的豎向位移也是重點(diǎn)。此時(shí)直角鋼梁末端的豎向位移為0.66mm，陽角鋼梁末端的豎向位移為0.51mm。與直角鋼梁工況相比，相同大小荷載作用下陽角鋼梁末端的豎向位移更小，說明斜拉桿對(duì)鋼梁豎向位移具有良好的約束效果，設(shè)置更多斜拉桿可以有效減少鋼梁彎曲下?lián)稀?/p>

直角鋼梁上兩根立桿的安裝位置分別距離建筑物墻面0.3m和1.2m，直角鋼梁在兩個(gè)位置的豎向位移分別為0.18mm和0.62mm；陽角鋼梁上兩根立桿安裝位置的豎向位移分別為0.17mm和0.45mm。2根立桿的不均勻豎向位移會(huì)使腳手架架體遠(yuǎn)離建筑物，向墻體方向傾斜，直角鋼梁上立桿傾斜與水平面夾角為0.028°，陽角鋼梁為0.018°。如果腳手架的架設(shè)高度為20m，則頂部的水平方向位移為1cm。腳手架架體的架設(shè)高度較高，需要關(guān)注在高度方向上，位移量的放大效應(yīng)。

2.2 細(xì)部端板應(yīng)力分析

端板細(xì)部的應(yīng)力云圖如圖4和圖5所示，從云圖中可以看出，因?yàn)橹苯卿摿憾税迮c陽角鋼梁端板的形狀存在差異，所以應(yīng)力集中的位置不同。直角鋼梁端板應(yīng)力集中在上下螺栓孔位置，在上部螺栓孔內(nèi)側(cè)斜下方有一處區(qū)域應(yīng)力集中顯著，下部螺栓孔上方有一處矩形區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力最大值為24.9MPa，陽角鋼梁端板應(yīng)力集中發(fā)生在螺栓孔附近和端板的下沿，應(yīng)力最大值為26.9MPa。陽角鋼梁端板的應(yīng)力要略大于直角鋼梁端板的應(yīng)力，可能是陽角鋼梁端板形狀復(fù)雜、端板中心為直角形狀造成的結(jié)果。

圖4 直角鋼梁端板應(yīng)力云圖

圖5 陽角鋼梁端板應(yīng)力云圖

在15kN荷載作用下，直角鋼梁端板材料強(qiáng)度利用率為12.1%，陽角鋼梁端板材料強(qiáng)度利用率為13.1%，在實(shí)際工程中的懸挑腳手架破壞大多數(shù)為失穩(wěn)破壞，而懸挑鋼梁屈服破壞較少。

2.3 鋼梁安裝螺栓應(yīng)力分析

安裝懸挑腳手架的螺栓是懸挑體系中的薄弱環(huán)節(jié)，需要研究受力特點(diǎn)。直角鋼梁與陽角鋼梁的安裝螺栓應(yīng)力云圖如圖6和圖7所示。直角鋼梁安裝螺栓上的最大應(yīng)力為41.1MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓與鋼梁端板接觸的位置，直角鋼梁安裝螺栓最大應(yīng)變?yōu)?99.5με；安裝螺栓的變形集中在螺帽及螺帽與螺桿連接處附近。陽角鋼梁安裝螺栓上的最大應(yīng)力為17.2MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓與混凝土安裝孔外側(cè)接觸面，陽角鋼梁安裝螺栓最大應(yīng)變?yōu)?3.5με；安裝螺栓的變形主要發(fā)生在螺桿與螺帽連接處附近。兩種安裝螺栓應(yīng)力集中位置及變形特點(diǎn)均有些差異，主要原因是直角鋼梁與陽角鋼梁端板形狀不同以及螺栓布置的位置和數(shù)量不同。安裝螺栓采用8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓，屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為640MPa，在荷載作用下螺栓應(yīng)力值較小，螺栓強(qiáng)度有較大冗余。

圖6 直角鋼梁安裝螺栓應(yīng)力云圖

圖7 陽角鋼梁安裝螺栓應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

通過ABAQUS軟件對(duì)懸挑腳手架鋼梁模型數(shù)值進(jìn)行仿真，可以得到以下結(jié)論：1）通過數(shù)值仿真分析，可以看出在施工荷載作用下，應(yīng)力集中發(fā)生在懸挑鋼梁端板附近和拉桿安裝位置，直角鋼梁上最大應(yīng)力為52.9MPa，陽角鋼梁上的最大應(yīng)力為32.9MPa，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力未到鋼材的承載能力極限。2）懸挑鋼梁的端板處的應(yīng)力主要集中在螺栓孔處。直角鋼梁端板在螺栓孔內(nèi)側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，下部螺栓孔上方有一矩形區(qū)域也出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，應(yīng)力最大值為24.9MPa；陽角鋼梁端板應(yīng)力集中發(fā)生在端板下方直角處，應(yīng)力最大值為25.3MPa。在15kN荷載下，端板處于安全狀態(tài)。安裝螺栓上的最大應(yīng)力值為41.1MPa，有足夠的安全冗余。