扣件式鋼管腳手架整體穩定性的ANSYS分析

陳劍波

(南京交通職業技術學院,江蘇 南京 211188)

近年來,在建筑工程施工過程中發生的重大安全責任事故層出不窮,造成了較大的經濟損失與人員傷亡。由于腳手架在搭設與使用過程中存在較多的作業危險因素,因此極易發生支架倒塌事故。為此,對建筑業腳手架的支架倒塌事故進行較為科學的分析,從中找出事故的成因及對策是非常必要的。

1 扣件式腳手架支架倒塌的幾個主要原因

近年來的多起腳手架坍塌事故表明,在實際工程中,由于腳手架的選材、計算與搭設以及人員管理等方面,往往都與規范存在較多的差異,從而導致了扣件式腳手架的倒塌,具體原因主要有下幾個方面:①腳手架塔設不符合規范要求:盡管建設部行業標準《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》早已強制實施[1]。但在部分施工現場仍普遍存在腳手架搭設不規范的現象。比如連墻件、剪刀撐的隨意設置;現場搭設未能嚴格按設計圖執行;腳手架操作層防護不規范等現象較為常見。②腳手架材質不符合要求,使用前未進行必要的檢查和檢驗:腳手架的材質和規格,有關制度均有明確的規定。腳手架塔設之前,必須對所用鋼管、扣件、底座、腳手板等材料進行場外檢查、檢驗,確認合格后方可運至施工現場使用。由于種種原因,承包商往往為追求經濟利益,使大量的不符合規格要求的材質腳手架構配件流入施工現場,也導致了腳手架的倒塌事故。如規范要求鋼管規格通常為48mm×3.5mm,但實際使用中的鋼管,其壁厚多小于3.5mm,有的工程甚至出現小于2mm的情況,遠遠達不到規范要求,極大程度的降低了腳手架的整體穩定性。③安全管理方面:首先是較多施工企業對操作工人的安全教育不充分,導致許多架子工缺乏安全意識,在從事腳手架搭設與拆除時,未按規定正確佩戴安全帽和安全帶,從而增加了高處墜落事故發生的概率。其次是一些施工、監理單位在腳手架工程管理過程中不按規定編制安全專項施工方案,方案編制不審核,搭設不規范、不驗收等問題,最終導致了腳手架坍塌事故的發生。根據以上關于扣件式腳手架支架倒塌的原因分析,除了通過加強培訓教育,提高安全意識、嚴格執行腳手架作業的有關技術規范和要求以及制定針對性強、切實可行的腳手架搭設與拆除方案來防止腳手架的坍塌外,還可以適當的提高扣件式鋼管腳手架的整體穩定性來減少此類事故的發生概率。本文通過對扣件式鋼管腳手架整體穩定性進行ANSYS模擬分析,找出影響腳手架整體穩定性的因素,以此為改善腳手架的整體受力性能提供了科學的參考依據。

2 扣件式腳手架整體穩定性能的ANSYS分析

扣件式鋼管腳手架因具有簡單、靈活、安裝方便等優點而廣泛的應用于建筑行業,因此,如何改善扣件式腳手架整體的穩定性也成為設計師們研究的熱點。由于腳手架的計算簡化模型直接關系到它的整體受力性能以及施工的安全性,所以應合理的選擇腳手架的計算簡化模型[2]。但關于腳手架計算模型的選擇目前尚未有一致的看法,常見的主要計算模型有鉸接架模型、無移剛架模型、節點半剛性模型、排架模型等。為了簡化計算,本文采用了鉸接架模型,且模擬實際工程中的腳手架搭設,如圖1所示,該腳手架的架體構件由立桿、大橫桿、小橫桿組成,立桿是整個腳手架受力和傳力中心桿件。其中,每根鋼管在ANSYS模擬中采用的主要參數為:Pipe16單元,外直徑0.048 m、管壁厚度0.0035m,彈性模量210 GPa,參考承載力選取向下荷載FY[3]。

(1)扣件式鋼管腳手架整體靜力分析如圖2所示:模擬四層建筑物高的腳手架;考慮承受的荷載包括永久荷載:架體自重、腳手板及安全網等輔助件的重量、可變荷載為施工荷載和風荷載、以及架體每米立桿承受的結構自重標準值、腳手板與踢腳板自重以及施工荷載、風荷載等;采用了鉸接計算法假定扣件的連接點為鉸接點,把空間體系轉化為平面體系計算,并認為橫桿在體系中是不受力的,只是起到了減少立桿有效長度的作用。該方法計算簡便,理論分析較為成熟,但卻忽略了腳手架的連續立桿和節點剛度的影響,導致架體實際承載力與計算結果有較大差別,在使用中造成材料浪費和施工不便。因此,本文在分析了鉸接計算法的基礎上,還考慮了腳手架的連續立桿和節點剛度的影響,對交接、剛接以及半剛性連接進行了科學的對比[4]。

圖1 扣件式鋼管腳手架的ANSYS建模

圖2 扣件式鋼管腳手架的靜力分析模型

(2)扣件式腳手架的穩定性分析

穩定性分析的方法和基本原理:為了對所建立的扣件式腳手架模型進行失穩計算,采用特征值屈曲分析的方法,來獲取所搭設的腳手架整體結構的失穩極限荷載。該分析方法的基本原理為:在扣件式腳手架上施加指定荷載,通過計算,當獲得的一階屈曲特征值為1時,施加的荷載皆為模型的失穩荷載;當獲得的一階屈曲特征值大于1時,施加的荷載則還未達到失穩荷載,整體結構還是穩定的。特征值屈曲分析的基本步驟:特征值屈曲分析一般由以下4個步驟組成:①建立模型。使用前處理器定義單元類型、單元實常數、材料的性質以及幾何模型等。②獲得靜力解。該步驟與一般靜力分析過程相一致,但是需要注意必須激活預應力影響PSTRES,特征值屈曲分析需要計算應力剛度矩陣[5]。③獲得特征值屈曲解。獲得特征值屈曲解的步驟:其一,進入ANSYS求解器;其二,定義分析類型和分析選項;其三,定義載荷步選項;其四,開始進行求解;其五,退出求解器。④拓展結果如果想要觀察屈曲的變形結果,必須對結果進行拓展。以上屈曲分析的ANSYS主要宏命令為:/solu;Antype,buckle;Bucopt,lanb,3;Mxpand,3;/solu;Expass,3;Mxpand,3;Outpr,all,all;Save/post1;Set,list;Set,first;/eshape,1;Plnsol,u,sum,2,1。

(3)穩定承載力試驗及結果分析

在模擬腳手架受力情況并計算出單根鋼管的承載力以后,對扣件式腳手架進行構造處理,并分析出不同的構造處理對腳手架整體穩定性承載力的影響情況。圖3為在扣件式腳手架上施加指定荷載,通過計算,當獲得的一階屈曲特征值為1時在該鋼管所施加的荷載皆為模型的失穩荷載。根據該計算結果的基礎上,分別分析了在考慮了連墻件、連續立桿和碗扣剛度等構造因素后,扣件式鋼管腳手架的整體穩定承載力所發生的數值變化,如圖4所示,即為考慮了鋼管鉸接的特征值屈曲解;圖5為考慮連續立桿和節點剛度影響的特征值屈曲解;圖6為考慮連續立桿和節點剛度影響的特征值屈曲解[6]。

圖3 單根鋼管的靜力分析模型

3 結 論

(1)按鉸接模型進行計算時,忽略了桿件之間的約束作用[7],其特征值屈曲解僅為869.1 N;但由于實際剛度比鉸接模型中的剛度大,因此在考慮了半剛性連接后,特征值屈曲解提高到了3502.4 N;在腳手架穩定承載力計算時應考慮節點和連續立桿對腳手架承載力的提高,修改立桿計算長度[8]。

(2)考慮連墻件和扣件剛度加強影響的特征值屈曲解為1061500 N,這說明科學的安裝扣件以及根據現場靈活的設置連墻件,可以為整體扣件式腳手架提供較好的抗彎和抗扭能力,從而提高架體的整體穩定性。

圖4 考慮鉸接的特征值屈曲解

圖5 考慮連續立桿和節點剛度影響的特征值屈曲解

圖6 考慮連墻件和扣件剛度加強影響的特征值屈曲解

(3)通過分析連墻件、連續立桿和碗扣剛度等構造因素對扣件式鋼管腳手架整體穩定承載力的影響,為進一步改善扣件式鋼管腳手架的整體穩定性承載力,進而避免腳手架倒塌提供了理論依據。

[1]中國建筑科學研究院.JGJ130-2001.建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2001.

[2]陳 飛,楊詩義,王家成,等.用 ANSYS和FLAC3D軟件求解邊坡穩定安全系數的比較分析[J].水利與建筑工程學報,2010,8(1):104-106.

[3]施炳華.腳手架的傾覆與穩定計算[J].施工技術,2010,39(3):34-36.

[4]張厚先.用ANSYS分析扣件式鋼管腳手架的承載性狀[J].武漢理工大學學報,2010,32(1):166-168.

[5]何文佳,曾慶敦.整體搭設的門式鋼管腳手架穩定性分析[J].河北工程大學學報(自然科學版),2010,27(1):21-24.

[6]劉建民,李慧民.扣件式鋼管腳手架框架模型的計算長度修正系數法[J].鐵道建筑,2005,18(5):87-89.

[7]張厚先,徐奮強,張德恒,等.用 ANSYS分析扣件式鋼管腳手架整體穩定承載力[J].建筑技術,2009,40(6):555-557.

[8]易桂香,辛克貴,高秋利,等.雙排碗扣式鋼管腳手架穩定承載力分析[J].工業建筑,2009,1(S1):1130-1133.