新型盤扣式升降支撐系統靜力分析

季言濤，徐樹東

（江蘇中淮機械設備租賃有限公司，江蘇 淮安 223002）

新型盤扣式升降支撐系統靜力分析

季言濤，徐樹東

（江蘇中淮機械設備租賃有限公司，江蘇 淮安 223002）

以一種新型升降支撐系統試驗架為研究對象，利用ANSYS軟件對升降支撐系統的整體進行了全面力學特性分析，對該種結構做了整體穩定性的研究，對升降支撐系統結構的力學性能有了更深的了解。按照搭設的結構建立有限元模型，利用梁單元模擬結構中的桿件，對升降支撐系統的靜力性能進行分析，并結合試驗數據的分析結果，對這一新型結構各方面性能進行全面的科學論證，為更好地推廣這一產品提供一定的理論參考。

升降支撐系統；盤扣式；有限元；靜力分析

1 工程概況

本工程為新型盤扣式升降支撐系統，全鋼結構，桿件采用Q235A鋼管，焊接連接。新型盤扣式升降支撐系統試驗架結構為兩跨五步，跨距為7m、步距為1.85m，架體高度為9.25m，寬度為0.9m，使用工況下2層施工，新型盤扣式升降支撐系統試驗架主要由水平梁架、豎向主框架及架體構架三部分組成，其平面布置圖如圖1所示。

圖1 試驗架立面圖

2 系統模型建立

盤扣式升降支撐系統所承受的載荷主要有恒載（桿件及起升設備自重）、活載荷（施工載荷）、風載荷等。

1）恒載 升降自重載荷計算部件應包括水平梁架、豎向主框架、連接螺栓、鋼管、連接盤、腳手板、安全網、承力底盤等連接為整體并共同升降的構件，其單跨重量具體計算結果見表1。

表1 L=7m、H=9.25m架體自重載荷表

自重線載荷qG=∑Gi/L0=3187×9.8×10-3/7＝4.46kN/m。

2）活載荷 新型盤扣式升降支撐系統在施工中作用在架體上的施工載荷為均布面載荷，該面載荷乘以架體作業面總寬度1.25m（包括內挑平臺），即可換算成線載荷。

主體施工時：qQ=2×3×1.25=7.5kN/m；

升降及墜落工況時：q′Q=1×1.25=1.25kN/m。

3）風載荷 圍護結構風載荷標準值[2]

式中 βgz—陣風系數，取βgz=1；

μs— 風載荷體型系數[3]，因為在新型盤扣式升降支撐系統使用中架體背靠建筑物多為敞開或開洞，故有μs=1.3φ=1.3Ad/Ay，Ad/Ay為架體的擋風面積/架體的迎風面積，新型盤扣式升降支撐系統用密目式安全網圍護，其擋風系數為0.8,即μs=1.3×0.8=1.04；

μz— 風壓高度變化系數，據參考文獻[3]第7.2條，本文按照150m以下的高層建筑考慮,則取μz=1.61；

ω0— 基本風壓值(kN/m2)，據附表D4[3]，常州地區50年一遇的基本風壓為ω01=0.4kN/m2，將其作為使用工況基本風壓，在升降及墜落工況中的基本風壓[3]可取為ω02=0.25kN/m2。

則本新型盤扣式升降支撐系統風載荷標準值為:

使用工況中：

wk1=1×1.04×1.61×0.4=0.67kN/m2;

升降、墜落工況中：

wk2=1×1.04×1.61×0.25=0.42kN/m2。

當架體總高度H0=9.25m時，沿架體長度方向的風載線載荷為：

使用工況中：

w1=wk1H0=0.67×9.25=6.2kN/m;

升降、墜落工況中：

w2=wk2H0=0.42×9.25=3.88kN/m。

當架體總寬度B=0.9m時，垂直線風載荷為：

使用工況中：

w1=w01H0=0.67×0.9=0.6kN/m；

升降、墜落工況中：

w2=w02H0=0.42×0.9=0.378kN/m。

4）墜落沖擊與升差載荷 在墜落工況中，新型盤扣式升降支撐系統架體、機具及防墜落裝置均受到墜落沖擊載荷的作用。墜落沖擊載荷按以下方法計算[4]

式中 γ2——附加載荷不均勻系數，γ2=2；

F0—— 升降中機位最大靜載荷，據表4-2[4]知qG、q′Q，即有F0max=(qG+q′Q)× L0=(4.992+1.25)×7=43.69kN，則知FZ=2×43.69=87.38kN。

新型盤扣式升降支撐系統經過網格劃分后的整體有限元模型如圖2所示，分析可得新型盤扣式升降支撐系統的有限元模型包含1 029個單元。

圖2 有限元模型立體圖

3 有限元靜力分析

3.1 安全性判定準則

新型盤扣式升降支撐系統采用Q235鋼管制造，其屈服強度為235MPa，抗拉、抗壓和抗彎的強度設計值為205MPa。在有限元應力計算中，主要選用Von Mises應力作為應力判定標準。

當桿件變形量有控制要求時，應按正常使用極限狀態驗算其變形量。根據JGJ 231-2010《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術規程》，受彎桿件的撓度限值為L/150或10mm，本支撐系統結構模型受彎桿件最長的長度為1 850mm，因此新型盤扣式升降支撐系統結構撓度限值為[ζ]=10mm。

3.2 各工況結果分析

本文采用考慮半剛性連接的模型，架體加載求解是采用正常使用和極限承載兩種工況組合：各個工況包括兩種載荷組合：Z向垂直載荷；Z向垂直載荷+X向水平載荷，在此主要分析第二種載荷組合。

1）正常使用工況 當盤扣式升降支撐系統承受Z向垂直載荷和X向水平載荷組合作用時，其最大應力為112MPa，最大位移為5.08mm，應力和位移均滿足要求。

2）極限承載工況 當盤扣式升降支撐系統承受Z向垂直載荷和X向水平載荷組合作用時，達到桿件位移極限值時的臨界載荷為114.28kN，此時應力最大值為156MPa，架體的變形為無側移框架對稱變形，最大位移點出現在頂層橫桿上，X向位移最大值為7.924mm,Y向位移最大值為0.684mm，Z向位移最大值為6.597mm。分析數據表明，支撐系統結構承受水平載荷時，最大承載力較小，且局部變形已達最大變形量要求，X向變形較大，這是因為升降支撐系統結構承受了正面的水平載荷，但是由于附著結構和連墻桿的左右，X向沒有產生很大的位移，但是局部已失穩。

4 有限元與理論計算結果比較

有限元計算的結果如上節所示，為了更準確的研究盤扣式升降支撐系統的穩定性，采用有限元結算和理論計算相比較的方法。盤扣式升降支撐系統是由焊接鋼管、連接盤和插銷連接組成空間桁架結構，對于這種體系的穩定計算問題，主要通過確定受壓立桿的計算長度及穩定承載力來研究整個支撐系統結構的穩定性，整個支撐系統結構的極限承載力主要通過常用理論計算方法反推來獲得，常用的理論計算方法如下。

1）概率極限狀態設計法 根據JGJ130-2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》中的要求，采用概率極限狀態設計方法對支撐系統進行設計和驗算。本文所描述的盤扣式升降支撐系統整體穩定問題簡化成單立桿的穩定問題，其立桿穩定性應按以下公式計算。

φ— 軸心壓桿的穩定系數，根據長細比λ=μh/r=0.5×1850/15.8=58.5，查表知φ=0.849；

fc— 立柱穩定承載力的設計值，fc＝205MPa。

本次計算采用不考慮風載荷計算公式，利用反推法可得N≤φAfc＝0.849×357×205＝62.13kN,所以此計算方法得到的支撐系統結構的極限承載力Fmax＝62.13kN。

2）參考格構柱、鋼框架整體失穩的計算方法 盤扣式升降支撐系統是由立桿、縱向水平桿和橫向水平桿組成的多層多跨“空間框架結構”，所以其整體穩定計算可以參考格構式柱或鋼框架失穩來考慮。

新型盤扣式升降支撐系統的層高與總高之比小于1/5，所以可以參考格構柱、鋼框架整體失穩的計算公式[5]，其計算公式為

式中 PE——立桿臨界載荷;

E——立桿的彈性模量;

I——立桿垂直截面的整體慣性矩，I=8Fl2；

F——立桿截面面積；

H——支架高度；

A——構架的某一層在剪切力作用下所產生的單位水平位移，

k——扣件彈性撓曲系數，取0.000 5mm/N;

l——單孔支架寬度;

h——每格支架高度;

θ——斜腹桿與水平桿夾角。

經計算可得I=2.31×109mm4；H=9250mm；θ=39°；s=2380mm；A=2×10-5m；PE=89.64kN。

通過以上對支撐系統結構的理論計算，格構柱、鋼框架整體失穩的計算方法與有限元數值結果基本一致，因此在實際工程中可以將此方法作為理論分析結果來參考比較。

5 結 論

本文將兩種載荷組合作用于新型盤扣式升降支撐系統的有限元模型上，分析結果表明結構的應力和位移都滿足規范的要求。增加豎向載荷得出結構的極限承載力為318.47kN，當承受風載荷時極限承載力為114.28kN。最后，將有限元計算得出的新型盤扣式升降支撐系統穩定極限承載力和各種理論計算值相比較，發現格構柱、鋼框架整體失穩的計算方法在實際工程中可以作為理論分析方法參考比較。

[1]JGJ 130-2011，建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范[S].

[2]GB 50009-2012，建筑結構載荷規范[S].

[3]JGJ 202-2010，建筑施工工具式腳手架安全技術規范[S].

[4]JGJ 231-2010，建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術規程[S].

[5]黃 群.大跨混凝土結構中扣件式鋼管模板支撐架設計匯[D].杭州:浙江大學，2005.

[6]糜嘉平.我國新型腳手架的發展動向[M].北京:中國建筑出版社，1998.

[7]劉宗仁，涂新華，丁永勝.扣件式鋼管腳手架臨界力下限計算方法[J].建筑技術，2001，32(8)：541-543.

[8]姜傳庫.淺談我國模板和腳手架工程的專業化問題[J].施工技術，2000，(3)：8-10.

[9]肖 毅.新型盤式鋼管腳手架的應用研究[D].昆明:昆明理工大學，2012.

[10]劉家彬，郭正興.扣件鋼管架支模的安全性[J].施工技術，2002，31(3)：9-11.

（編輯 賈澤輝）

Static analysis of new button lifting support system

JI Yan-tao, XU Shu-dong

TU392.3；TU731.2

B

1001-1366(2015)01-0055-04

2014-10-31