附著式升降腳手架腳手板的力學性能研究

曾淑琴

(廣東志特新材料集團有限公司,廣東 中山 528437)

附著式升降腳手架是一種新型的外墻腳手架操作平臺,俗稱“爬架”或“智能升降平臺”。附著式升降腳手架相比于傳統腳手架,可利用自身的升降動力設備實現逐層爬升的功能,大大提高了自身的機動性,節省了人力成本,提高了材料周轉率,廣泛應用于目前的高層建筑施工過程中[1-2]。全鋼附著式升降腳手架作為一種新型產品,將高處作業變為低處作業,將懸空作業變為架體內部作業,具有顯著的經濟性、安全性、便捷性、低碳性等優點,逐漸成為了腳手架市場的主體產品[3-5]。

全鋼附著式升降腳手架主要由立桿、導軌、附墻支座、安全立網、水平支承結構、腳手板、提升機構、同步控制裝置等組成。腳手板是全鋼附著式升降腳手架主要組成部分之一,施工人員可在其上行走、工作,可以放置工作所需的工具、材料[3]372。

目前市面上的腳手板的結構形式主要有角鋼邊框型和矩形管邊框型兩種形式。不同結構形式的腳手板會有不同的力學性能;同時由于腳手板往往有多重不同的規格和排布,在腳手板與腳手板連接處變形最大,結構形式的不同引起的變形也不同。目前各廠家多根據經濟性角度及經驗來選擇項目用何種腳手板,尚未有文獻針對兩種腳手板的差別作對比分析。

本文通過有限元軟件ANSYS對這兩種類型的腳手板及裝有這兩種腳手板的附著式升降腳手架進行了靜力學分析,從豎向荷載引起的最大變形和抵抗風荷載的強度兩個方面進行了對比研究,給出了這兩種類型腳手板的差別,給工程實際應用作參考。

1 腳手板對接位置變形研究

1.1 兩種腳手板介紹

腳手板結構圖見圖1。腳手板構件參數表見表1。

1.2 有限元計算模型

所選取的計算模型為長度為2 m的2塊腳手板中間采用螺栓連接而成(見圖2)。模型中桿件采用Beam188[6]單元,腳手板面板采用Shell181[6]11單元進行模擬,架體構件均采用Q235-B鋼材,容許應力為205 MPa[7],材料參數參見表2,架體材料截面尺寸見表1[8]。

表1 腳手板構件參數表

表2 模型材料參數

1.3 邊界條件

爬架的立桿間距為2 m,立桿與在每塊腳手板的縱向邊框正中間連接,研究對象為正中間螺栓連接位置的變形。螺栓連接位置采用剛性耦合ux,uy,uz三個移動自由度,腳手板與立桿的連接位置約束三個移動自由度,為了不受兩邊懸臂段的影響,將兩端頭四個角點也約束三個移動自由度。兩邊裝有連接板時,腳手板縱向邊框可看成是連續梁,可將斷開處兩邊的腳手板邊框節點耦合6個自由度模擬。根據JGJ 202—2010建筑施工工具式腳手架安全技術規范[10],活荷載標準值取3 kN/m2,這里只研究變形,故加載時施加活荷載標準值。

1.4 變形結果

角鋼腳手板變形見圖3,矩管腳手板變形見圖4。

腳手板變形結果匯總見表3。

1.5 變形結果分析

在腳手板側邊同樣裝有連接板或未裝連接板情況下,矩管腳手板變形均明顯比角鋼腳手板小;在腳手板連接處加裝連接板,可顯著減小腳手板向下的變形。

角鋼腳手板側邊裝有連接板時變形和矩管走道板側邊未裝有連接板時十分接近。且此時變形較小,建議實際項目若采用矩管腳手板,可視需要考慮是否加裝側面連接板,角鋼腳手板變形略大,建議側面加裝連接板。

最大變形位置在腳手板面板處,根據JGJ 202—2010建筑施工工具式腳手架安全技術規范[10]16的要求,跨度為2 m,腳手板的容許變形為[ΔL]={2 000/150,10}=10 mm,以上計算中的4種情況的變形均符合JGJ 202—2010建筑施工工具式腳手架安全技術規范要求。

2 腳手板承載能力性能研究

2.1 有限元模型

風荷載作用在爬架的安全立網上,立網與爬架的立桿相連,會將荷載直接傳遞到立桿上,立桿再將荷載傳遞至腳手板,為了更真實地得到腳手板的承載能力性能,本節建模了爬架整體三維模型來計算(見圖5),由于不關注變形,腳手板在斷開處按照連續構件來處理,連接處的兩根橫向邊框當橫肋來處理。

所取附著式升降腳手架每榀外排高度13.5 m,內排高度12 m,架體寬度0.6 m,水平機位跨度取3個跨度,共18 m。使用有限元軟件ANSYS進行建模分析,模型中桿件采用Beam188[6]7單元,腳手板面板采用Shell181[6]11單元進行模擬,防護網的自重和風荷載均施加到外立桿上,未建模防護網,螺栓連接采用理想剛接模擬,架體構件均采用Q235-B鋼材,容許應力為205 MPa[7]10,材料參數參見表4,架體材料截面尺寸見表5[8]47。

表4 模型材料參數

表5 附著式升降腳手架構件尺寸表

2.2 邊界條件

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,使用工況風荷載大,腳手板受力更惡劣,故本節只計算使用工況。使用工況每個機位安裝有3道附墻支座,其中上面兩道附墻支座僅做水平約束(x向,z向約束),最下面一道附墻支座作卸荷約束(y向約束)。

按照JGJ 202—2010建筑施工工具式腳手架安全技術規范計算需要考慮以下兩種荷載組合:1)恒荷載+施工活荷載;2)恒荷載+0.9(施工活荷載+風荷載),從實際計算來看,風荷載為主要影響因素,故本文僅校核有風荷載組合的情況,僅考慮防護網迎風面承受風荷載情況。強度校核的荷載組合按如下公式:

S=1.3×(1.2SGk+0.9×1.4SQk)(↓)+0.9×1.4Swk(→)

(1)

其中,SGk為恒荷載標準值;SQk為使用工況活荷載標準值;Swk為建筑物所在地十年一遇風荷載標準值;(↓)為豎向荷載;(→)為水平荷載。

根據JGJ 202—2010建筑施工工具式腳手架安全技術規范[10]13,風荷載標準值采用式(2)計算:

Wk=βz·μz·μs·w0

(2)

其中,Wk為風荷載標準值,kN/m2;βz為風陣系數,此處取1.0;μz為風壓高度變化系數,按照GB 50009—2012建筑結構荷載規范[11]確定,此處按B類地貌100 m樓高取值2.0;μs為腳手架防護網體型系數,按JGJ 202建筑施工工具式腳手架安全技術規范給的計算和取值方式取1.04(擋風系數取0.8,建筑物類型為四面透風類型);w0為基本風壓,使用工況取建筑物所在地十年一遇基本風壓,此處取0.45 kN/m2。

經計算使用工況:

Wk=βz·μz·μs·w0=0.936 kN/m2。

采用ANSYS有限元軟件中的Acel命令對模型施加重力加速度來模擬自重荷載,考慮到實際施工中,人員多在頂層作業,因此活荷載在ANSYS中以均布節點力的形式施加到頂上兩層腳手板的節點上。風荷載直接作用到防護網片上,防護網與立桿直接連接,風荷載通過防護網傳遞至外排立桿上,故模型中未建模防護網,將風荷載直接施加到外排立桿上。對架體而言,由于不考慮防護網對結構的加強作用,計算更偏保守。

2.3 應力結果

矩管腳手板應力結果見圖6,角鋼腳手板應力結果見圖7,角鋼腳手板邊框應力詳圖見圖8,腳手板變形結果匯總見表6。

表6 腳手板變形結果匯總

2.4 應力結果分析

腳手板的最大應力在其縱向邊框上,同樣荷載條件下,矩管腳手板強度明顯比角鋼腳手板小。在文中的計算條件下,角鋼腳手板和矩管腳手板的最大應力均小于205 MPa,符合JGJ 202—2010建筑施工工具式腳手架安全技術規范[10]43要求。

從角鋼腳手板邊框應力詳圖可以看到,腳手板的邊框應力最大處向腳手板中心內凹,很明顯存在側向彎矩,主要原因風荷載使腳手板水平方向產生變形,同時在導軌約束處形成側彎。角鋼的抗側彎截面系數很低,因而導致角鋼腳手板邊框應力大。對比而言矩形抗側彎性能明顯優于角鋼,因而計算得到的應力顯著比角鋼腳手板的小。故在風荷載標準值大于本文計算值的場合,不建議采用角鋼邊框腳手板。

3 結語

利用有限元軟件ANSYS對附著式腳手架的4種腳手板模型和2種整體模型進行了靜力計算,得到了變形結果和強度結果,主要結論如下:

1)角鋼腳手板變形明顯比矩管腳手板大,腳手板連接處加連接板可顯著減小變形。

2)角鋼腳手板、矩管腳手板有連接板或無連接板最大變形均符合JGJ 202—2010建筑施工工具式腳手架安全技術規范要求。

3)角鋼腳手板應力明顯比矩管腳手板大,主要原因是角鋼的抗側彎性能比矩管低,故在風荷載標準值大于文中計算值時,不建議采用角鋼邊框腳手板。