附著式升降腳手架不同工況下的預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

劉 垚，蔡安江

（1.西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司 建筑機(jī)械化研究分院，河北 廊坊 065000）

1 引言

附著式升降腳手架具有操作簡單、美觀度好、施工速度快、效率及機(jī)械程度高等優(yōu)點(diǎn)，在高層及超高層建筑中占據(jù)舉足輕重的地位，具有很大的應(yīng)用前景和廣泛的經(jīng)濟(jì)效益。隨著建筑機(jī)械的不斷進(jìn)步及發(fā)展，人們對(duì)附著式升降腳手架的減振、降噪、節(jié)能等性能的要求也不斷地提高，這就要求研究者不斷探索其運(yùn)行過程中的工作狀態(tài)，以提高其工作性能。

劉曉旭等采用有限差分法建立了包含支座在內(nèi)的腳手架模型精細(xì)化模型，分析結(jié)果表明支座剛度對(duì)架體受力及變形具有明顯影響；匡怡菁等人對(duì)新型附著式升降腳手架的結(jié)構(gòu)構(gòu)造進(jìn)一步優(yōu)化，通過增加上部臨時(shí)支撐，結(jié)構(gòu)的整體外傾得到有效控制；李秋生等對(duì)附著式升降腳手架進(jìn)行理論分析及有限元分析，驗(yàn)證了有限元分析的可靠性及準(zhǔn)確性。潘為民等研究了風(fēng)載荷對(duì)腳手架的影響，推導(dǎo)出四階AR 模型的參數(shù)表達(dá)式來模擬腳手架的風(fēng)速時(shí)程，為直觀準(zhǔn)確的模擬腳手架在脈動(dòng)風(fēng)載作用下的動(dòng)力學(xué)特性奠定了基礎(chǔ)，并分析了抓取機(jī)構(gòu)的合理運(yùn)行過程，為后續(xù)液氣壓動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考；溫雪兵等對(duì)附著式升降腳手架的摩擦特性進(jìn)行分析及研究，結(jié)果表明減小整體重量可以有效地減小摩擦力；并對(duì)不同附著式升降腳手架水平支承桁架力學(xué)性能對(duì)比分析研究，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了影響腳手架力學(xué)性能的原因，指出了結(jié)構(gòu)剛度是影響變形的主要因素。

以往在對(duì)腳手架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析時(shí)，常常以結(jié)構(gòu)的剛度最大為優(yōu)化目標(biāo)，卻忽視了結(jié)構(gòu)的剛度質(zhì)量比對(duì)腳手架動(dòng)力學(xué)特性的影響，從而造成結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布局及材料分布不合理，因此有必要對(duì)腳手架的模態(tài)特性進(jìn)行分析，避免運(yùn)行過程中共振現(xiàn)象的發(fā)生，保障腳手架安全可靠運(yùn)行。

為此，本文利用Solidworks 建立附著式升降腳手架的三維模型，然后以ANSYS 為平臺(tái)，對(duì)附著式升降腳手架在不同工況下的模態(tài)特性進(jìn)行仿真和分析，研究腳手架在兩種工況下的振動(dòng)形態(tài)及固有頻率，為腳手架的安全可靠運(yùn)行及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)保障。

2 三維模型的建立及工作原理

2.1 三維模型的建立

附著式升降腳手架主要有5 部分構(gòu)成，即動(dòng)力提升系統(tǒng)、施工防護(hù)系統(tǒng)、附著導(dǎo)向卸荷系統(tǒng)、防墜系統(tǒng)及智能載荷控制系統(tǒng)組成，其構(gòu)造主要依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的外形搭建，由若干個(gè)相互獨(dú)立的主體單元連接而成，本文所設(shè)計(jì)的附著式升降腳手架的三維模型如圖1 所示，分析時(shí)以一個(gè)單元架體為計(jì)算對(duì)象，單元架體最大跨度為6.0m，跨度內(nèi)立桿縱距2.0m，寬度0.64m，步高2.0m，共7 步腳手板，網(wǎng)片高度1.5m，共8 層網(wǎng)片加一單排，每個(gè)機(jī)位安裝3 附墻支座、3 卸荷支頂器、3 防墜裝置。腳手架防護(hù)總高度13.5m，架體外排立桿高度13.5m，內(nèi)排立桿總高度12m。

圖1 附著式升降腳手架三維模型的建立

2.2 材料參數(shù)的設(shè)置

附著式升降架手架主體材料均采用Q235-A制成，仿真時(shí)所采用的材料參數(shù)如下：材料密度為7 800kg/m3，彈性模量為201GPa，泊松比為0.3，分析時(shí)把材料參數(shù)賦予分析結(jié)構(gòu)上。

2.3 邊界條件的設(shè)定

2.3.1 約束的施加

附著式升降腳手架在使用工程中主要存在兩種工況，即提升工況與使用工況。

提升工況過程下只有4 個(gè)防傾裝置與導(dǎo)軌相連接，主體機(jī)構(gòu)靠腳手架提升支座支撐，只有在吊點(diǎn)位置含有豎直方向Y位移約束，在ANSYS中通過彈簧單元模擬電動(dòng)葫蘆與底部橫梁之間的連接，其它導(dǎo)軌與附著支撐部位含有沿X與Z方向的位移，提升支座部位約束3 個(gè)方向的位移。

使用工況過程中，腳手架運(yùn)行到固定位置，根據(jù)實(shí)際情況固定底部附墻支座混凝土墻體的豎向和水平向位移，以模擬實(shí)際的支座約束情況，對(duì)于其他支座僅約束側(cè)向位移。由于底部翻板與墻體接觸，因此此部分接觸約束其法向位移，在ANSYS 中使用無摩擦支撐以對(duì)接實(shí)際的約束。

2.3.2 載荷的施加

腳手架在提升工況使用過程中，同時(shí)作業(yè)的層數(shù)為2 層，每層活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.5kN/m2，本次分析時(shí)載荷作用在2 層與3 層，考慮重力加速度的作用9.8m/s2，使風(fēng)荷載取0.57kN/m2，風(fēng)向垂直于跨度方向，作用在架體外側(cè)結(jié)構(gòu)上。

腳手架在使用工況施工過程中，同時(shí)作業(yè)的層數(shù)為2 層，每層施加活載荷標(biāo)準(zhǔn)值3.0kN/m2，載荷作用在腳手架的2 層與3 層，除此之后還需考慮重力加速度的作用9.8m/s2，使用工況風(fēng)荷載取0.57kN/m2，風(fēng)向垂直于跨度方向，作用在架體外側(cè)結(jié)構(gòu)上。

2.4 仿真參數(shù)的設(shè)定

2.4.1 靜力學(xué)分析參數(shù)設(shè)定

導(dǎo)軌及導(dǎo)軌支撐接觸部位的接觸類型設(shè)為采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)設(shè)為0.005，接觸行為采用對(duì)稱形式，接觸算法采用增強(qiáng)的拉格朗日，節(jié)點(diǎn)探測采用高斯點(diǎn)探測，修剪接觸采用打開，軸向接觸剛度系數(shù)為3，剛度更新采用每一子步更新，切向剛度接觸系數(shù)采用默認(rèn)，界面處理選擇Adjust to touch，采用基于子步的求解策略，初始子步為50，最小子步為10，最大子步為100，其余參數(shù)選擇默認(rèn)；其余各部分之間的接觸采用綁定接觸，接觸算法采用MPC，其它設(shè)置采用默認(rèn)。

2.4.2 模態(tài)分析參數(shù)設(shè)定

在考慮提升工況下靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，模態(tài)分析時(shí)載荷及邊界條件的設(shè)置與靜力學(xué)分析一致，由于模態(tài)分析只考慮線性狀態(tài)下的分析，因此模態(tài)分析時(shí)接觸類型設(shè)定為綁定接觸，接觸算法為MPC 算法。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 不同工況下的靜力學(xué)分析

參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)行非線性靜力學(xué)分析迭代計(jì)算，得到提升工況下的變形結(jié)果如圖2（a)所示，使用工況下的變形結(jié)果如圖2（b)所示。

圖2 不同工況下的靜力學(xué)分析

由圖2 可知，提升工況下的最大變形發(fā)生在架體頂部，最大變形為34.033mm，最大變形發(fā)生在腳手架頂部。使用工況下的最大變形為33.498mm，最大變形發(fā)生架體底部。由此可知，不同工況下腳手架的變形位置不同，這與其支撐條件有關(guān)，由此可知腳手架整體的變形與附墻支座、提升支座及上下吊點(diǎn)關(guān)系密切，且載風(fēng)載荷作用下提升工況下的變形大于使用工況，提升工況對(duì)風(fēng)載荷敏感程度大于使用工況。

3.2 提升工況下的仿真結(jié)果及分析

在提升工況靜應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，得到腳手架前四階振動(dòng)形態(tài)如圖3 所示，通過對(duì)圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到前四階固有頻率如表1所示。

圖3 提升工況下附著式腳手架的前四階振動(dòng)形態(tài)

由圖3 可知，提升工況下附著式升降腳手架的第一階振動(dòng)形態(tài)為腳手架繞X方向的前后擺動(dòng)，且模態(tài)分析結(jié)果最大變形部位發(fā)生在腳手架頂部，此部位機(jī)構(gòu)較剛度較小，模態(tài)分析結(jié)果與靜力學(xué)分析結(jié)果一致，由此可以判定此部位為結(jié)構(gòu)薄弱部位。第二階振動(dòng)形態(tài)為外側(cè)立桿前側(cè)繞Y方向的左右扭動(dòng)，第三階振動(dòng)形態(tài)為腳手架主體繞X方向的彎曲變形，第四階振動(dòng)形態(tài)為中間部位繞X方向的前后擺動(dòng)，提升工況下內(nèi)外立桿及內(nèi)外橫桿的變形最大，此處為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。由表1 可知，提升工況下結(jié)構(gòu)的固有頻率在0.6871～3.2856Hz 之間，屬于低頻振動(dòng)。

表1 提升工況下的附著式升降腳手架固有頻率

3.3 使用工況下的仿真結(jié)果與分析

在使用工況靜應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，得到腳手架前六階振動(dòng)形態(tài)如圖4 所示，通過對(duì)圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到前四階固有頻率如表2所示。

圖4 使用下附著式腳手架的前六階振動(dòng)形態(tài)

表2 使用工況下的附著式升降腳手架固有頻率

由圖3 可知，使用工況下腳手架主體的第一階振動(dòng)形態(tài)為水平支承桁架前側(cè)大小繞X方向的彎曲變形；第二階振動(dòng)形態(tài)為水平支承桁架前側(cè)繞Y方向的扭轉(zhuǎn)變形；第三階振動(dòng)形態(tài)為腳手架下部繞Y方向的左右擺動(dòng)；第四階振動(dòng)形態(tài)為腳手架繞X方向的前后擺動(dòng)及扭轉(zhuǎn)變形；由使用工況振動(dòng)形態(tài)可知，腳手架的內(nèi)外立桿及水平橫桿為薄弱環(huán)節(jié)。由表2 可知，使用工況下腳手架前四階固有頻率在1.3079～5.0141Hz。

4 結(jié)論

1）運(yùn)用三維建模軟件對(duì)附著式升降腳手架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和靜力學(xué)分析，直觀地得到腳手架在不同工況下的變形狀態(tài)，結(jié)果表明支撐形式與結(jié)構(gòu)的整體變形關(guān)系密切，且風(fēng)載荷對(duì)腳手架在提升工況下的影響大于使用工況。

2）對(duì)腳手架在不同工況進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，直觀得到了在兩種不同工況下的振動(dòng)形態(tài)，且前四階固有頻率均屬于低階振動(dòng)，提升工況下腳手架更易發(fā)生低頻共振。

3）仿真結(jié)果與實(shí)際情況相吻合，驗(yàn)證了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，為開展腳手架的優(yōu)化設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)仿真分析提供技術(shù)支撐。