附著式升降腳手架現場試驗研究與有限元分析

2022-11-21 02:25:28候丹濤曾凡奎

土木工程與管理學報 2022年5期

候丹濤曾凡奎, 郭君

(1.西安工業大學 a.建筑工程學院; b.西安市軍民兩用土木工程測試技術毀損分析重點實驗室, 陜西西安 710021；2.西安云端工程科技有限公司, 陜西西安 710075)

附著式升降腳手架在經過多年的改進與發展之后，已從原來的半鋼附著式升降腳手架發展到如今的全鋼附著式升降腳手架，因其相較于傳統腳手架具有經久耐用、節能環保以及周轉速度快等特點，被廣泛地應用于高層和超高層建筑施工中，成為了住建部近年來推廣的“十大施工新技術”之一[1]。然而伴隨著該項新技術的廣泛應用，一些安全事故也隨之發生，設計上存在的缺陷和施工人員對該項新技術的認識不足是事故發生的主要原因。

目前，我國對于附著式升降腳手架的研究已經取得了一定成果。白鳳美[2]結合腳手架安全技術規范,建立了附著式升降腳手架傾覆和墜落事故風險評價指標體系,為進行附著式升降腳手架的安全評估提供了一種新方法；劉曉旭[3]采用有限差分方法建立包括支座在內的精細化數值模型,對不同支座情況下,支座及架體的應力及位移情況進行計算，為設計人員在選取不同支座時提供了參考；梁華[4]通過研究一種附著式升降腳手架同步升降控制系統模型以及PID控制器優化方法，設計了同步升降控制器，保證了架體各機位的載荷均勻；王秀麗[5,6]利用有限元分析軟件ANSYS對整個架體在不同位移工況下的響應進行數值模擬，得到了支撐點應力和轉角位移隨位移差值的變化規律，為不同步運動下了解架體的轉角和位移關系，以及架體此時的最大應力點奠定了基礎；同時，還通過有限元模擬與現場試驗相結合的方法，繪制了兩個新型附著節點的應力位移曲線，得到了新型附著節點與鋼結構進行連接的力學性能，為新型節點在鋼結構上的布置提供了依據；潘為民[7]通過研究附著式升降腳手架承受的風荷載，為實際工程中進行腳手架的風振分析提供了參考依據。周磊[8]依托工程實際，通過研究傾斜工況下使用附著式升降腳手架，提出在綜合考量附著式升降腳手架結構受力和位移的情況下，應將附著式升降腳手架的內傾角和外傾角控制在3°以內。石夢琪[9]通過運用BIM技術，從工程量統計、施工平面布置、可視化交底及安全管理4方面敘述附著式升降腳手架的信息化、規范化管理，有效提高了操作人員的施工效率和操作安裝的準確度，且增強了施工現場的安全生產管控能力。同時，傳感技術[10～13]在附著式升降腳手架同步控制上的應用，有效地提高了架體的同步運動性、通信的穩定性和操作的靈活性，并大幅降低了施工成本。劉劍鋒[14]將物聯網技術與附著式升降腳手架的安全管理結合起來，研究論述了基于物聯網技術的附著式升降腳手架安全監控管理系統的設計與實現。盧龍玉[15,16]利用SAP2000和ABAQUS兩種有限元軟件，對新型鋁合金附著式升降腳手架進行正常使用情況下的整體穩定性和構件內力分析。通過分析應力和應變云圖，并與建筑規范計算的結果進行比較，對結構進行了修正，并進一步簡化了計算模型，從而為鋁合金附著式升降腳手架的設計和施工提出實用性建議。

綜上所述，附著式升降腳手架的研究主要集中在安全管理、結構優化、設計計算等方面，而對附著式升降腳手架在現場施工條件下架體內力分析方面的研究較少。因此，通過對咸陽市某在建工程中使用的附著式升降腳手架進行現場試驗，并采用有限元對提升階段和使用階段下的架體進行數值模擬，研究該附著式升降腳手架在提升階段和使用階段下架體桿件的受力特性和規律，以期為附著式升降腳手架的設計計算提供參考。

1 工程概況

該工程為咸陽市某住宅小區1期項目，試驗區域位于9#樓，采用最新型的全鋼附著式升降腳手架，搭設高度14 m，寬度為0.6 m，離墻間距0.4 m，架體的內立桿采用50 mm×50 mm×3 mm鋼管，外立桿采用50 mm×70 mm×4 mm鋼管，立桿分為4，5 m兩種規格，橫桿與斜撐也為50 mm×50 mm×3 mm鋼管，橫桿的規格為2 m，架體的跨距和步距均為2 m，桿件之間均通過螺栓連接為整體，架體的外立面采用鋼立網框作為防護構件，鋼立網框不僅起著防護作用，而且還兼具剪刀撐的功能。

試驗區域選取附著式升降腳手架的典型受力部位，具體為9#樓西南側，根據9#樓的架體布置圖和現場的實際情況，以31和32兩個機位之間跨度4 m的單元架體作為試驗區域，如圖1所示。分別選取31號機位和32號機位的內外立桿各2根、底部斜桿各1根、下吊點各1個以及兩個機位之間的橫桿和斜桿各2根作為研究對象。

圖1 測試區域/mm

立桿從下至上分別設置2個測點(LN-11代表第一根內立桿LN-1的第一個應變計，位于吊點下部，距離內立桿底部 50 cm處；LW-11代表第一根外立桿LW-1的第一個應變計，距離外立桿底部50 cm處；LN-12和LW-12位于上部支座與中部支座之間，距離架體中部7 m處；立桿測點均布置在桿件內側)，每個機位的內外立桿之間下部各有一個斜桿和吊點(X-1表示第一個機位內外立桿下部的第一個應變計，以此類推)，兩個機位之間的橫桿和斜桿各布置2個測點(H-1代表第一根橫桿的第一個應變計，X-2代表兩個機位之間第一根斜桿的第一個應變計，D-1表示第一個機位處的第一個應變計，以此類推)，測點布置詳圖見圖2。

圖2 測點布置

各桿件的試驗均采用YBM工具式表面應變計和uT7116靜態應變儀采集數據，現場應變計布置與應變儀連接如圖3所示。

圖3 現場布置

2 現場試驗分析

2.1 提升階段下桿件內力分析

2.1.1 立桿受力分析

提升階段的時間相對較少，架體從開始提升至提升到位總共耗時大約20 min。立桿LN-1，LN-2，LW-1，LW-2均位于建筑的西南面，應力曲線如圖4所示。分析立桿測點的應力曲線變化趨勢，發現內立桿測點的應力曲線近似呈直線，主要是由于內立桿與導軌連接在一起，導軌在導向輪的約束下帶動內立桿緩緩上升，使其受到拉應力作用，且拉應力增長比較平緩；外立桿測點的應力曲線呈拋物線，是因為外立桿在最底部支座拆除之后，有向外凸出的趨勢，外立桿此時沒有側向約束，此時外立桿測點承受的為壓應力，且增長速度較快。立桿上部測點的應力大于立桿下部測點的應力，主要原因在于底部支座拆除之后，架體此時只有4個支座起到約束，同時架體在自重和電動葫蘆拉力作用下，應力集中在架體中部，使得上部測點的應力總是大于下部測點。

圖4 提升階段立桿應力

2.1.2 斜桿受力分析

斜桿測點X-1，X-4位于豎向主框架的下部，測點X-2，X-3位于水平支承桁架處，其提升階段應力曲線如圖5所示。由圖5可知，豎向主框架下部的斜桿測點應力曲線呈上升趨勢，是由于內立桿在電動葫蘆拉力的作用下，其斜桿受到了內立桿傳遞過來的拉力，斜桿測點拉應力的增長趨勢與內立桿測點基本相同；水平支承桁架處的斜桿測點應力曲線變化比較平緩，斜桿在兩端豎向主框架上升的過程中，中間部位的斜桿受到了兩端傳遞過來的反作用力，使其測點一直承受壓應力。

圖5 提升階段斜桿應力

2.1.3 橫桿受力分析

提升階段橫桿應力曲線如圖6所示。由圖6可以發現橫桿測點H-1，H-2的應力曲線先有小幅上升，然后再趨于平緩，主要因為電動葫蘆在啟動的瞬間架體產生輕微晃動，導致應力曲線波動，待電動葫蘆運行平穩之后，橫桿測點上應力曲線基本保持不變。

圖6 提升階段橫桿應力

2.1.4 吊點應力分析

吊點D-1，D-2作為與電動葫蘆直接接觸的構件，起到將全部荷載傳遞給電動葫蘆的作用，吊點在此階段一直處于受拉狀態，其應力曲線如圖7所示，D-1，D-2的應力曲線基本一致，起先均有小幅度的增加，然后應力曲線基本一致，這主要是開始提升時的架體晃動導致，到后期提升平穩后，D-1,D-2的應力值基本相當。

圖7 提升階段吊點應力

2.2 使用階段下桿件內力分析

2.2.1 立桿受力分析

使用階段共采集了7 d，按照每天24 h取其平均值作為最終研究數據。此階段的立桿LN-1，LN-2，LW-1，LW-2的應力曲線(圖8)與提升階段相比，波動現象更為明顯。由圖8可知，內立桿測點仍然承受的是拉應力，應力曲線波動較大，主要是由于有工人在上面進行支模板以及澆筑混凝土作業，從而引起的波動；外立桿測點始終承受著壓應力，應力曲線波動比內立桿更加明顯，應力曲線先有增大是因為工人在上面進行施工作業，再到減小是施工作業的結束以及人員的撤離，桿件內力有了明顯變化，同時外立桿測點應力曲線波動的另一個原因是在試驗期間有著較大的風，風荷載直接作用在與外立桿相連的鋼立網框上，造成了此現象的發生；同時，立桿上部測點的應力大于下部測點的應力，是因為架體構造因素造成的應力集中現象。

圖8 使用階段立桿應力

2.2.2 斜桿受力分析

由斜桿測點應力曲線(圖9)可知，在使用階段豎向主框架斜桿測點的應力曲線波動要比水平支承桁架斜桿測點的小，但斜桿承受的應力值要大于提升階段，是由于架體上部有工人施工和材料堆載，豎向主框架斜桿承受的是內立桿和外立桿下部懸挑部位的荷載，而水平支承桁架斜桿承受著架體上部的所有荷載，因此水平支承桁架斜桿測點的應力值較大且易波動。

圖9 使用階段斜桿應力

2.2.3 橫桿受力分析

如圖10所示，橫桿測點H-1，H-2應力曲線波動較明顯，上部施工人員的活動以及混凝土澆筑作業是應力值增加的主要原因。

圖10 使用階段橫桿應力

2.2.4 吊點應力分析

吊點是架體在提升階段最主要的受力構件，在提升階段起著連接電動葫蘆，拉動架體上升的關鍵作用，當架體提升結束，吊點連接的電動葫蘆將同時起到防墜功能，進而吊點依然承受著拉應力，但通過該階段的應力曲線圖11便會發現，此時的拉應力要遠遠小于提升階段的拉應力，是因為絕大部分荷載已通過附墻支座傳遞給建筑物，吊點處僅承受較小荷載。

圖11 使用階段吊點應力

2.3 實測值與計算值對比分析

將應力實測值與理論計算值進行對比分析，見表1。

表1 實測值與計算值匯總 MPa

通過表1可以發現，提升階段立桿測點的實測應力值小于理論計算應力值，而斜桿測點和橫桿測點的最大應力值則有大于計算值的現象，是由于提升階段架體較大的自重以及電動葫蘆的拉力作用，導致下部桿件受力較大。使用階段測點的最大應力實測值呈現大于理論計算值的現象，立桿測點的最大應力值比理論計算值大了16%，斜桿測點大了15%，橫桿測點大了23%，是因為在使用階段，架體上面還堆載有材料，造成實測值大于計算值的情況。實測最大應力值為σ=117.5 MPa<[σ]=205 MPa，桿件處于穩定狀態。

3 有限元數值模擬

3.1 模型建立

本文以兩個機位間距4 m的架體為研究對象，模型的建立尺寸為長4 m，寬0.6 m，高14 m，桿件均采用beam188單元，構件材料均為Q235鋼材，根據架體的實際約束情況，提升階段在最下層支座處只施加y方向的平動約束，上部支座施加3個方向的平動約束和轉動約束，在使用階段下對3個支座均施加3個方向的平動約束以及3個方向的轉動約束，構件截面尺寸見表2。