基于ABAQUS的花籃式懸挑腳手架受力特點研究

周 雷 于金金 馬克華

（1．中鐵建設集團有限公司，北京 100000；2．中咨海外咨詢有限公司，北京 100000）

常規落地式鋼管腳手架存在安全穩定性較低、經濟效益較差和搭設不便等問題，新型懸挑腳手架具有經濟性好、穩定性高等優點[1]，有較高的工程應用價值。因為懸挑腳手架避免了從地面開始架設支架，從而降低了腳手架的架設高度，進而減少了水平風荷載及桿件自重的影響，所以更安全穩定。懸挑腳手架適用于不便搭設支座的工程情況，適用性更廣[2]。在很多工程施工現場作業的過程中，地面不平整、場地過于狹小以及材料消耗量大會導致無法直接在地面搭設落地式鋼管腳手架，因此，懸挑腳手架是比較合適的外架方案選擇。

因為腳手架工程直接影響施工現場人員和建筑結構安全，所以，懸挑腳手架結構必須具有足夠的剛度、強度和穩定性以抵抗自重荷載、風荷載和施工活荷載。目前花籃式懸挑腳手架的研究多為施工技術方面，關于懸挑鋼梁體系的受力情況研究較少[3]。基于此，該文根據工程案例建立三維仿真模型，通過ABAQUS軟件對數值進行仿真，研究新型懸挑腳手架結構整體受力變形規律和連接部位強度，分析懸挑體系中斜拉桿和端板的受力情況。

1 懸挑鋼梁模型有限元模型

1.1 ABAQUS軟件介紹

該文用ABAQUS軟件進行建模分析。ABAQUS有限元軟件由法國達索公司開發，該軟件采用有限元方法求解問題，廣泛適用于各種不同的工程情況。不論是簡單的線性問題還是復雜的非線性問題都可以使用ABAQUS軟件建模求解，功能十分強大。ABAQUS可以利用種類繁多的單元庫和資料庫對任意實際形狀和不同實際工程材料進行建模，并分析其性能，采用單元庫和材料庫可以對各種固體力學和結構力學體系進行建模分析，解決各種煩瑣的非線性問題[4-5]。

1.2 確定懸挑鋼梁模型參數

研究對象為新型懸挑雙排腳手架，搭設高度為20m，立桿采用單立管。立桿的縱距為1.50m，立桿的橫距為0.90m，內排架距離結構為0.30m，立桿的步距為1.80m。采用的鋼管規格為φ48.3mm×2.7mm，連墻件采用2步2跨，豎向間距為3.60m，水平間距為3.00m。施工活荷載為3.0kN/m2，同時考慮2層施工。腳手板采用沖壓鋼板，荷載為0.30kN/m2，按照鋪設3層計算。安全網采用鋼板網荷載取0.072kN/m2。

直角鋼梁模型與陽角鋼梁模型如圖1所示。新型花籃式懸挑腳手架體系中懸挑梁采用16#工字鋼梁，截面高度為160mm，腹板為6mm，翼緣板厚為10mm，懸臂長度為3m。螺栓直徑為24mm貫通到混凝土梁內，鋼梁上側左右設置2根螺栓，下側中央設置一根螺栓，螺栓通過鋼墊板連接，不考慮螺栓的預緊力。螺栓與混凝土為綁定連接，螺栓與墊板，墊板與混凝土均為罰函數摩擦接觸且允許接觸后脫開[6-7]。鋼材質量密度為7800kg/m3，彈性模量為206GPa，泊松比0.3。混凝土梁厚度為200mm，密度為2400kg/m3，泊松比0.17，彈性模量為30GPa。混凝土與鋼材均為彈塑性材料，為提高數值模擬結果的準確性，受力分析時混凝土和鋼都采用理想彈塑性本構模型，理想彈塑性材料，材料達到屈服后應力不再增加，沒有產生塑性硬化。采用理想彈塑性模型既能簡化混凝土及鋼材的本構關系，提高計算機的計算效率，又能考慮材料的塑性部分，避免將其考慮為彈性體，使數值仿真結果失真。

圖1 ABAQUS三維模型

懸挑式腳手架上部架體結構復雜且不是該研究的關注重點，因此在建模中省略，架體的自重經過換算后施加在鋼梁上。除腳手架架體自重荷載外，作用于懸挑鋼梁上的荷載還包括安全網自重荷載和施工活荷載。將腳手架架體自重荷載、安全網自重荷載及施工活荷載換算為作用在懸挑鋼梁上的荷載，荷載值為15kN。

2 ABAQUS計算結果及分析

采用ABAQUS對數值進行模擬，可以得到花籃式腳手架懸挑鋼梁體系細致的內力情況，對懸挑鋼梁和安裝螺栓的應力云圖進行分析，可以判斷鋼梁在荷載作用下是否處于安全范圍，并能分析相關結構件的應力分布特點和變形特點。

2.1 懸挑鋼梁應力與變形分析

在15kN荷載作用下，鋼梁上應力集中在斜拉桿安裝位置和荷載作用位置，端板在上下螺栓位置也有應力集中的情況，如圖2和圖3所示。直角鋼梁上最大應力為52.9MPa，在兩根立桿的安裝位置（施加荷載的位置），直角鋼梁上的應力分別為19.9MPa和14.2MPa，遠離墻體處的立桿造成的應力更小；陽角鋼梁上的最大應力為32.9MPa，在兩根立桿的安裝位置的應力分別為31.9MPa和18.1MPa，遠離墻體處的立桿造成的應力也更小。直角鋼梁與陽角鋼梁上的最大應力值均小于Q235鋼材的屈服強度235MPa。因為陽角鋼梁安裝2根斜拉桿，所以承載能力大于單拉桿鋼梁，鋼梁上的應力小于單拉桿鋼梁。

圖2 直角鋼梁應力云圖

圖3 陽角鋼梁應力云圖

除鋼梁上的應力外，鋼梁的豎向位移也是重點。此時直角鋼梁末端的豎向位移為0.66mm，陽角鋼梁末端的豎向位移為0.51mm。與直角鋼梁工況相比，相同大小荷載作用下陽角鋼梁末端的豎向位移更小，說明斜拉桿對鋼梁豎向位移具有良好的約束效果，設置更多斜拉桿可以有效減少鋼梁彎曲下撓。

直角鋼梁上兩根立桿的安裝位置分別距離建筑物墻面0.3m和1.2m，直角鋼梁在兩個位置的豎向位移分別為0.18mm和0.62mm；陽角鋼梁上兩根立桿安裝位置的豎向位移分別為0.17mm和0.45mm。2根立桿的不均勻豎向位移會使腳手架架體遠離建筑物，向墻體方向傾斜，直角鋼梁上立桿傾斜與水平面夾角為0.028°，陽角鋼梁為0.018°。如果腳手架的架設高度為20m，則頂部的水平方向位移為1cm。腳手架架體的架設高度較高，需要關注在高度方向上，位移量的放大效應。

2.2 細部端板應力分析

端板細部的應力云圖如圖4和圖5所示，從云圖中可以看出，因為直角鋼梁端板與陽角鋼梁端板的形狀存在差異，所以應力集中的位置不同。直角鋼梁端板應力集中在上下螺栓孔位置，在上部螺栓孔內側斜下方有一處區域應力集中顯著，下部螺栓孔上方有一處矩形區域出現應力集中現象，應力最大值為24.9MPa，陽角鋼梁端板應力集中發生在螺栓孔附近和端板的下沿，應力最大值為26.9MPa。陽角鋼梁端板的應力要略大于直角鋼梁端板的應力，可能是陽角鋼梁端板形狀復雜、端板中心為直角形狀造成的結果。

圖4 直角鋼梁端板應力云圖

圖5 陽角鋼梁端板應力云圖

在15kN荷載作用下，直角鋼梁端板材料強度利用率為12.1%，陽角鋼梁端板材料強度利用率為13.1%，在實際工程中的懸挑腳手架破壞大多數為失穩破壞，而懸挑鋼梁屈服破壞較少。

2.3 鋼梁安裝螺栓應力分析

安裝懸挑腳手架的螺栓是懸挑體系中的薄弱環節，需要研究受力特點。直角鋼梁與陽角鋼梁的安裝螺栓應力云圖如圖6和圖7所示。直角鋼梁安裝螺栓上的最大應力為41.1MPa，最大應力出現在螺栓與鋼梁端板接觸的位置，直角鋼梁安裝螺栓最大應變為199.5με；安裝螺栓的變形集中在螺帽及螺帽與螺桿連接處附近。陽角鋼梁安裝螺栓上的最大應力為17.2MPa，最大應力出現在螺栓與混凝土安裝孔外側接觸面，陽角鋼梁安裝螺栓最大應變為83.5με；安裝螺栓的變形主要發生在螺桿與螺帽連接處附近。兩種安裝螺栓應力集中位置及變形特點均有些差異，主要原因是直角鋼梁與陽角鋼梁端板形狀不同以及螺栓布置的位置和數量不同。安裝螺栓采用8.8級高強螺栓，屈服強度設計值為640MPa，在荷載作用下螺栓應力值較小，螺栓強度有較大冗余。

圖6 直角鋼梁安裝螺栓應力云圖

圖7 陽角鋼梁安裝螺栓應力云圖

3 結論

通過ABAQUS軟件對懸挑腳手架鋼梁模型數值進行仿真，可以得到以下結論：1）通過數值仿真分析，可以看出在施工荷載作用下，應力集中發生在懸挑鋼梁端板附近和拉桿安裝位置，直角鋼梁上最大應力為52.9MPa，陽角鋼梁上的最大應力為32.9MPa，結構的應力未到鋼材的承載能力極限。2）懸挑鋼梁的端板處的應力主要集中在螺栓孔處。直角鋼梁端板在螺栓孔內側出現應力集中現象，下部螺栓孔上方有一矩形區域也出現應力集中的情況，應力最大值為24.9MPa；陽角鋼梁端板應力集中發生在端板下方直角處，應力最大值為25.3MPa。在15kN荷載下，端板處于安全狀態。安裝螺栓上的最大應力值為41.1MPa，有足夠的安全冗余。