基于SolidWorks Simulation的裝配式橋式電動升降平臺附墻架設計與分析

李 根, 辛鈺林, 趙 濤

(甘肅第七建設集團股份有限公司, 蘭州 730030)

裝配式橋式電動升降平臺一種具備快速裝拆、省工省料、綠色環(huán)保、人料兼運、循環(huán)使用等特點,廣泛應用于建筑結構各階段施工作業(yè)的專業(yè)施工裝備。附墻架是裝配式橋式電動升降平臺的重要部件之一,是用于固定和支撐電動升降平臺的結構。附墻架的設計和制造需要考慮電動升降平臺的負載能力、穩(wěn)定性和安全性等因素,以確保電動升降平臺在使用過程中的安全性能。以裝配式橋式電動升降平臺附墻架結構為研究對象,利用Soildworks軟件,進行結構的設計和有限元模型的建立。通過對不同附著結構形式的強度、剛度及穩(wěn)定性的分析,選取較優(yōu)的結構形式,研究附墻架組成桿件截面尺寸、附墻架長度對其各項性能的影響,為附墻架的設計及應用提供一定的參考依據。

1 模型結構建立

1.1 模型整體結構

裝配式橋式電動升降平臺采用齒輪、齒條進行傳動,垂直升降方式進行作業(yè)。其主要由工作平臺、智能控制系統(tǒng)、安全控制系統(tǒng)、附著系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等幾部分組成。工作平臺作業(yè)長度為7 m,固定段寬度為2.5 m,平臺可根據建筑外形進行伸縮,伸縮距離為為0.6 m。組成導架的單個標準節(jié)高為1 500 mm,截面尺寸為500 mm×500 mm﹐整體高度達到12 m后開始安裝附著系統(tǒng),每隔6 m安裝一個附墻架[1]。

1.2 附墻架組成

裝配式橋式升降腳手架附墻架,由U形連接板、拉桿上部、拉桿中部、拉桿下部、固定錨板五部分組成(圖1)。在使用過程中,U形連接件使用螺栓與裝配式橋式升降腳手架主體連接,固定錨板使用螺栓與建筑連接;可調拉桿上部一端與U形連接件使用螺栓連接,另一端采用正螺紋與調拉桿中部連接;可調拉桿上部一端與固定錨板使用螺栓連接,一端采用反螺紋與調拉桿中部連接[2]。

圖1 附墻架結構組成

連接完成后,根據現(xiàn)場實際情況,使用專用調節(jié)工具插入可調拉桿主體中部調節(jié)段,進行長度調節(jié),直至符合現(xiàn)場使用要求(圖2)。

圖2 連接示意圖

1.3 附墻架結構形式

裝配式橋式電動升降平臺必須配有附臂,也就是附墻架。附墻架的形式有很多種,結合施工實際情況,選取三種典型附墻架即單側兩桿式附墻架、單側三桿式附墻架、單側對稱四桿式附墻架作為研究分析的結構形式[3]。

單側兩桿式附墻架為附墻架中最簡捷的結構形式,具有結構簡單、便于安裝等特點,其形式如圖3(a)所示;單側三桿式附墻架,其形式如圖3(b)所示;單側對稱四桿式附墻架結構較為復雜,安裝困難且用材較多,其形式如圖3(c)所示。

圖3 附墻架結構形式簡圖

2 附墻架有限元分析

2.1 有限元模型建立

模型主要由圓管、方管、角鋼等組成,應用Soildworks Simulation對構件進行有限元模型建立和靜力學分析。在模型建立中,模型構件截面形狀及尺寸與實際結構保持一致。在不影響對附墻架靜力分析的前提下,對模型進行了適當?shù)暮喕痆4]。

計算模型中,各構件的材料均為Q345,彈性模量為2.10×101 MPa,泊松比為0.3,質量密度為76.98 kN/m3。在模型進行網格化處理中,為保證計算的準確性,對受力較為集中的附墻架、導軌立桿進行網格加密處理。計算模型中共有節(jié)點78 253個、單元40 820個[5-6]。計算模型如圖4所示。

圖4 單側兩桿式附墻架有限元模型

2.2 荷載參數(shù)選擇

根據文獻[7]標準規(guī)定,需對作用于電動升降平臺及其組成結構的載荷進行分析,為電動升降平臺受力分析及強度、剛度和穩(wěn)定性求解提供依據。電動升降平臺荷載主要考慮結構自重載荷、額定載荷、水平操作力、動態(tài)力和風載荷的組合。

裝配式橋式電動升降平臺,其能允許承受的最大施工活荷載為20 kN,平臺立柱搭設高度按最高使用高度100 m計算。荷載取值以實際使用過程中,最不利情況進行設定。

2.2.1 恒荷載

電動升降平臺結構自重根據實常數(shù)、材料密度和截面幾何尺寸等自行計算。結構各單元質量可按鋼結構材料密度7.8×10 kg/m3求出[8]。手工操作力F以每人200 N計算,力的作用位置假定距電動升降平臺底板高度為1.1 m,沿水平方向施加。根據參考文獻[7]額定載荷以360 kg計算,包括操作人員及其攜帶設備、物料等的質量,經計算恒荷載為54.87 kN。

2.2.2 活荷載

活荷載按照電動升降平臺能夠承受的最大施工荷載取值,取平臺施工活載為20 kN。

2.2.3 風荷載

平臺風載荷參照參考毛華榮等[9],按附著式狀態(tài)下的風壓值150 N/m2進行取值。

2.3 附墻架靜態(tài)性能分析

2.3.1 單側兩桿式附墻架

對單側兩桿式附墻架進行靜力學分析,附墻架及整體結構應力及變形云圖如圖5、圖6所示。

圖5 單側兩桿式附墻架結構應力云

圖6 單側兩桿式附墻架結構變形云

根據仿真結果可知,附墻架最大變形位移值為0.48 mm,最大應力值為90 MPa,最大變形位置及應力位置均在拉桿頭部扁鋼位置。

2.3.2 單側三桿式附墻架

對單側三桿式附墻架進行靜力學分析,附墻架及整體結構應力及變形云圖如圖7、圖8所示。

圖7 單側三桿式附墻架結構應力云

根據仿真結果可知,相較于單側兩桿式附墻架,此形式最大變形位移值和最大應力值略有增加,但增幅不大,最大變形位置及應力位置仍在拉桿頭部扁鋼位置。

2.3.3 單側對稱四桿式附墻架

對單側對稱四桿式附墻架進行靜力學分析,附墻架及整體結構應力及變形云圖如圖9、圖10所示。

圖9 單側四桿式附墻架結構應力云

圖10 單側四桿式附墻架結構變形云

單側對稱四桿式附墻架相較于單側兩桿式附墻架,其最大變形位移值和最大應力均相同,最大變形位置及應力位置仍在拉桿頭部扁鋼位置。三種常見附墻架結構形式靜力學分析數(shù)據如表1所示。

表1 附墻架結構形式靜力學分析數(shù)據

由表1可知,對于附墻架結構形式,三種結構形式的最大應力、最大位移變形量、拉桿與墻面連接處的反作用力均基本相同;從成本考慮,單側三桿式附墻架、單側對稱四桿式附墻架拉桿數(shù)量增多,成本升高,但總體效果并沒有顯著的改善[10]。因此,采用單側兩桿式附墻架形式為附墻架結構形式的最優(yōu)選擇。

3 附墻架拉桿截面尺寸分析

3.1 截面尺寸參數(shù)選擇

為了進一步探究附墻架的各項性能,在附墻架結構形式最優(yōu)的形式下,研究附墻架拉桿截面尺寸對附墻架性能的影響。設定附墻架拉桿初始直徑為20 mm;壁厚t為5 mm?，F(xiàn)將附墻架拉桿直徑按50%的增量增長,增幅增至300%[11-12],對不同拉桿直徑下的附墻架進行靜力學仿真分析,分析附墻架拉桿截面尺寸與附墻架性能的辯證關系。

3.2 拉桿直徑對附墻架結構變形影響

對拉桿直徑增大后的附墻架結構進行靜力學仿真分析,根據仿真結果,得到其與附墻架最大變形位移值的關系如表2和圖11所示;拉桿直徑與附墻架應力值的關系如表3所示和圖12。

表2 拉桿直徑對附墻架位移值影響

表3 拉桿直徑對附墻架應力影響

圖11 拉桿直徑與附墻架位移值關系

圖12 拉桿直徑與附墻架應力值關系

根據表2繪制拉桿不同直徑下的附墻架變形位移值云圖如圖13所示。當附墻架拉桿直徑至40 mm,附著架位移值明顯減小,當繼續(xù)增加附墻架拉桿直徑尺寸,附墻架位移值變化不大且趨于穩(wěn)定,拉桿直徑與附墻架變形位移值折線圖如圖11所示;拉桿直徑與附墻架應力值折線圖如圖12所示。

圖13 拉桿直徑增大變形位移云

隨著附墻架拉桿直徑的增加,拉桿中部及螺桿的應力成下降趨勢,拉桿頭部與標準節(jié)連接的扁鐵應力逐漸上升,相扁鐵的相對強度逐漸降低。由圖11和圖12可知,拉桿直徑在30～40 mm時,結構部件應力處于較低水平,位移變化也不大,相對于大直徑,也能節(jié)省材料成本。因此,附墻架拉桿直徑30～40 mm較為經濟,但在應用中應適當增加扁鐵的厚度。

4 附墻架長度尺寸分析

4.1 長度尺寸參數(shù)選擇

裝配式橋式電動升降平臺,不僅附墻架的結構形式、拉桿的直徑對其有較大的影響,附墻架拉桿的長度對其各項性能也會造成影響。若附墻架拉桿長度較長,會導致附墻架變形位移過大,達不到有效的附著約束效果同時其安全性也無法保證;若附墻架拉桿長度較短,無法滿足各類施工工況,尤其是遇到懸挑構件就無法進行施工作業(yè),進而限制了裝配式橋式電動升降平臺的使用范圍[13-14]。因此,選擇合理的附墻架拉桿長度對附墻架性能的分析有很大的必要。

選取最優(yōu)結構形式單側兩桿式附墻架,拉桿直徑為40 mm,壁厚t為5 mm的結構模型,研究附墻架拉桿長度對附墻架性能的影響。以標準節(jié)外沿與建筑物間距離為標準,其長度可近似為拉桿的長度。由于升降平臺最小施工安全間距為1 000 mm,設定拉桿初始長度為1 000 mm,現(xiàn)將拉桿長度按50%的增量增長,增幅增至300%,然后按100%的增量增長,增幅增至400%[15-16],對不同拉桿長度下的附墻架進行靜力學仿真分析,分析附墻架拉桿長度與附墻架性能的辯證關系。附墻架與建筑物相對位置如圖14所示。

圖14 附墻架與建筑物相對位置

4.2 附墻架長度對結構變形影響

分別對不同附墻架拉桿長度下的附墻架結構進行靜力學仿真分析,得到不同拉桿長度與附墻架最大變形位移值的關系如表4所示;不同拉桿長度與附墻架應力的關系如表5所示。

表4 拉桿長度對附墻架位移值影響

表5 拉桿長度對附墻架應力影響

根據表4繪制拉桿不同長度下的附墻架變形位移值云圖如圖17所示。當附墻架拉桿長度為2 000 mm時,附墻架的應力值明顯出現(xiàn)拐點,當持續(xù)增加附墻架拉桿長度,附墻架應力、變形位移值逐步增加;拉桿長度為2 500 mm時,附墻架的變形位移值變化出現(xiàn)明顯的上升趨勢。拉桿長度與附墻架變形位移值折線圖如圖15所示;拉桿長度與附墻架件應力值折線圖如圖16所示。

圖15 拉桿長度與附墻架位移值關系

圖16 拉桿長度與附墻架應力值關系

圖17 拉桿長度增大變形位移云圖

由圖15和圖16可知,附墻架拉桿長度在1 000～2 500 mm時,附墻架各結構部件應力處于較低水平,變形位移值變化也不大,在使用過程中能夠達到有效的附著約束效果,同時其安全性能夠有效保證。因此,附墻架安全使用距離應小于2 500 mm。

5 結論

本文利用Soildworks軟件,建立了裝配式橋式電動升降平臺標準節(jié)、附墻架的有限元模型。利用軟件分析了三種不同結構的附墻架的性能。通過各項性能比較選取單側兩桿式附墻架為研究對象,進一步研究了附墻架拉桿截面尺寸、長度對附墻架結構各項性能的影響。通過對研究數(shù)據整理,可得如下結論。

1)對于附墻架形式,單側兩桿式附墻架、單側三桿式附墻架、單側對稱四桿式附墻架三種形式的最大應力、最大位移變形量、拉桿與墻面連接處的反作用力均基本相同;從成本考慮,采用單側兩桿式附墻架形式,材料較為節(jié)省,性能較優(yōu),為較優(yōu)的結構形式。

2)附墻架拉桿直徑為40 mm時,附墻架拉桿頭部扁鋼結構變形量較直徑為20 mm時減少了47.8%,拉桿中部結構變形量較直徑為20 mm時減少了48.9%,拉桿頭部螺桿結構變形量較直徑為20 mm時減少了48.4%。綜合施工成本及分形結構,附墻架拉桿直徑30～40 mm較為經濟。

3)當附墻架拉桿長度為2 000 mm時,附墻架的應力值明顯出現(xiàn)拐點,當持續(xù)增加附墻架拉桿長度,附墻架應力、變形位移值逐步增加;拉桿長度為2 500 mm時,附墻架的變形位移值變化出現(xiàn)明顯的上升趨勢。為確保附墻架在使用過程中能夠達到有效的附著約束效果同時保證其安全性,綜合分析數(shù)據,附墻架安全使用距離應小于2 500 mm。

4)通過不同參數(shù)下的附墻架結構研究可知,在各類計算模型中應力、位移變形主要集中在附墻架拉桿頭部扁鋼處。由于拉桿頭部的扁鐵與標準節(jié)連接,會受到標準節(jié)作用力的沖擊,易發(fā)生疲勞損傷。在實際應用中,應適當增加拉桿頭部扁鋼的厚度,減少扁鐵的平均應力值。